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基于粒子图像测速技术的桥梁风致振动细观机理研究
| 论文题名： | 基于粒子图像测速技术的桥梁风致振动细观机理研究 |
| 关键词： | 桥梁结构;风振机理;粒子图像测速;非定常气动力;风洞试验 |
| 摘要： | 本文的主要工作是将粒子图像测速技术(PIV)引入到桥梁风振的研究中，并由此建立一整套基于速度场的桥梁结构风振机理的研究框架。PIV实验系统的成功引入，建立了传统风洞实验和理论分析以及数值模拟计算之间更加直接和有效的联系纽带，为从根本上了解桥梁风振机理以及有效控制桥梁风振奠定了基础。本文主要完成了下面一些工作。 1.建立了风洞粒子图像测速试验系统。为能够进行风洞中的PIV试验，同济大学新建设了TJ-4号风洞并引进了PIV设备。为建立起风洞粒子图像测速试验系统，对风洞的流场进行了校测，并采用了标模试验方法，来验证风洞和粒子图像测速系统的有效性。 2.通过分析简单几何形体的绕流，特别是旋涡分析，提出了根据单幅PIV速度场获得结构绕流斯托罗哈数的新方法。这种方法结合了快照正交特征分解方法和小涡分解两种方法的优点，并通过引入修正的冻结湍流假设，通过采用旋涡覆盖区域的平均速度作为旋涡的移动速度，使得对于旋涡运动描述更加精确，从而使得这种计算方法精度更高。 3.分析了典型桥梁断面绕流流场，其中包括大海带东桥主桥断面、1stTacoma桥的H形简化断面和分离双箱断面等。通过对多种常用桥梁断面的分析，发现了几种断面旋涡的运动规律的差别。分析结果同时表明，旋涡的运动规律同结构所受的气动力存在一定的关系。通过对流场中旋涡的结构分析和旋涡模型参数拟合，提出了一种基于旋涡与结构相互作用的研究思路。 4.从流体力学的基本方程如连续方程和动量方程等出发，推导了采用结构周围风场速度场时间序列获得结构非定常气动力的计算公式，并依据现有的PIV设备的低时间分辨率进行了适当的简化，最后通过数值模拟得到的速度场和PIV速度场对三分力系数进行了计算和试验验证。给出了与平板Theodorsen准定常气动力理论解相似的非定常气动力的计算过程和方法。 5.根据速度场的变化特征，总结了桥梁振动的驱动机理。通过对包括平板断面、单箱断面以及H形钝体断面气弹结构周围流场和结构运动的分析，发现结构运动与其周围流场规律性的旋涡生成和移动有关。在采用适当的气动措施改变结构周围的流场后，结构周围流场规律性的旋涡生成和移动规律被破坏，结构的振动就会被抑制，印证了流场旋涡对结构运动的驱动作用。 |
| 作者： | 张伟 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 葛耀君 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 同济大学土木工程学院 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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