主動來流條件類平板斷面氣動力荷載效應分析

潘 韜,趙 林,曹曙陽,葛耀君,S.Ozono

(1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092;2.Department of Physics,Miyazaki University,Miyazaki 889-2155 Japan)

0 引 言

對于主跨達到800m斜拉橋和1500m懸索橋等超大跨度橋梁,基于精細化研究思路描述氣動力荷載的相關參數(包括靜風力系數、顫振導數和氣動導納),風洞試驗識別理論和技術方法的研究已成為大跨度橋梁抗風性能研究的關鍵技術,其中靜風力系數和顫振導數識別工作,國內外已取得較好的研究進展,而與結構氣動力作用時頻轉換和空間相關性密切聯系的隨機抖振理論尚未突破流線型斷面的理論框架,尤其是關于積分尺度荷載效應和來流湍流及特征湍流非線性效應的研究基本上處于空白狀態。

對于隨機抖振氣動力荷載作用模式及規律的相關研究不足主要表現在：對于描述特定橋梁斷面,對于不同來流頻率成份有選擇放縮的氣動力準定常修正項的氣動導納函數,工程應用中常假定氣動導納的上限值為1、下限值為薄平板斷面的Sear函數,而基于氣動導納這兩種取值的計算結果可以導致1倍左右的計算誤差;由于導納識別算法推導過程引入諸多近似假定和風洞試驗設備測試精度及來流輸入條件,如：積分尺度等參數無法準確控制等問題,相同氣動外形橋梁斷面所識別的導納函數差別較大,且難于再現經典剛性機翼斷面Sears函數解析結果,多數風洞試驗氣動導納識別結果不具有明確的物理意義,難于驗證其識別結果的有效性和合理性[1-4]。

針對上述問題,由改善大氣邊界層物理風洞來流模擬條件入手,利用日本宮崎大學多風扇主動控制風洞和高精度測力天平,初步探討了不同頻率和波長正弦來流作用下類平板斷面氣動力荷載變化規律。

1 試驗條件和工作準備

1.1 風洞條件與試驗設備

宮崎大學主動風洞是由99個獨立送風機組成的直流式、多段可拼接主動控制式風洞,可有效地模擬來流平均風和湍流度剖面效應,合理再現不同積分尺度來流正弦風波和寬頻脈動風時程[5-7]。試驗段寬2.538m×高1.804m,風速可調范圍為0～15m/s,正弦風速變動上限9m/s來流風速時風速,變化幅值為±3.5m/s,最大波動頻率為5Hz。節段模型氣動力測量裝置采用三分量高精度小量程動態高頻測力天平,天平兩個側向力(Fx,Fy)量程范圍為±20N,水平扭矩(Mz)為±2N?m,測量精度可達1‰。試驗室配備了同步采集監控與觸發裝置,可實時再現脈動風加載與模型氣動力同步測量過程。宮崎大學11×9多風扇主動風洞如圖1所示。類平板模型及測力系統安裝情況如圖2所示,試驗模型重量為360g,安裝后實測弱軸頻率為24Hz,強軸頻率為44Hz,對于該試驗模型固有頻率遠大于正弦來流風的主導頻率(0.2～4.0Hz),整個系統滿足動態高頻測力試驗的需要。

1.2 正弦來流湍流度定義

對于正弦來流條件下湍流度定義為：

式中,σ表示正弦來流風速的均方根值,U(z)表示正弦來流平均風速。

1.3 試驗工況安排

為了系統地比較不同來流參數對作用在模型上氣動力影響規律,對正弦來流加載條件,逐一比較來流平均風速、波動幅值和頻率、湍流度和積分尺度等參數組合情況的作用效果,表1列舉了不同正弦來流參數取值概況。

2 正弦來流模擬與氣動力倍頻效應

主動風扇加載的正弦脈動風隨吹風距離存在明顯的衰減關系,這種衰減表現在脈動風幅值的變化,而對周期性的脈動頻率影響不大,同時隨加載頻率的高低存在特殊的氣動力荷載倍頻放大效應。

圖1 宮崎大學11×9多風扇主動風洞Fig.1 11×9 multiple fan active control wind tunnel in Miyazaki University

圖2 類平板模型及測力系統安裝情況Fig.2 Installation of model and measurement system in wind tunnel

表1 不同正弦來流參數組合情況列表T able 1 Combinations list for different sinusoidal flow parameters

2.1 低頻正弦來流模擬

風洞入口段加載信號：U=6m/s、A=3m/s、f=0.6Hz=10m;試驗段實測信號 ：U=6.38m/s、A=1.19m/s、f=0.60Hz=10.13m 、=0.38m 、Iu=13.24%、Iw=0.51%。

u向脈動風相比w向脈動風占有絕對優勢,脈動能量之比約1200∶1關系;主要試驗現象表現為u向脈動風單一卓越頻率對應順風向和橫風向氣動力各單一卓越頻率。

2.2 高頻正弦來流模擬

風洞入口段加載信號：U=6m/s、A=3m/s、f=2Hz、=3m;試驗段實測信號：U=6.43m/s、A=0.43m/s、f=2.00Hz=3.05m 、=1.44m 、Iu=4.74%、Iw=0.78%。

u和w向脈動風存在多階對應峰值頻率,脈動能量之比約40∶1關系;主要試驗現象表現為u向脈動風單一卓越頻率對應順風向和橫風向氣動力各多階卓越頻率。

2.3 倍頻效應數值模擬

圖3 低頻正弦脈動風加載流場與模型氣動力效應Fig.3 Low frequency sinusoidal fluctuating wind field and the model aerodynamic load effect

圖4 高頻正弦脈動風加載流場與模型氣動力效應Fig.4 High frequency sinusoidal fluctuating wind field and the model aerodynamic load effects

曹豐產[8]采用CFD方法計算分析正弦風波來流條件對于橋梁斷面氣動力作用模式及特點過程中,發現了氣動力倍頻放大效應,計算模型數值邊界縱橫向尺度為橋梁斷面寬度的12～14倍。對于較為流線型的南京三橋主梁斷面(寬高比11.55∶1),1.0Hz加載脈動風波在氣動力荷載譜中出現了幅值為一階主導頻率譜密度幅值的約0.1倍倍頻放大(如圖5所示),該結果與圖4(c)類平板模型2.0Hz加載頻率結果類似;對于偏鈍體氣動外形的越南RachMieu大橋(寬高比7.10∶1),0.6Hz加載脈動風波出現了幅值為一階主導頻率譜密度幅值約0.5～0.1倍的多階倍頻放大,倍頻效應更加明顯。初步確認倍頻產生原因為正弦加載脈動風波傳遞至數值邊界壁面后產生的反射共振效應。由此推論大氣邊界層物理風洞亦不可避免同樣會出現此類似效應,導致在較高的共振反射頻段出現氣動力荷載放大效應,處于該頻段的結構風荷載效應存在偏大趨勢。

圖5 南京三橋正弦脈動風加載模型氣動力效應Fig.5 Model of third bridge in Nanjing Yangtze River in sinusoidal fluctuating wind field and aerodynamic load effects

圖6 RachMieu大橋正弦脈動風加載模型氣動力效應Fig.6 Model of RachMieu bridge in sinusoidal fluctuating wind field and aerodynamic load effects

3 試驗參數分析

3.1 離散頻率線性迭加分析

由正弦來流脈動風模擬可知,在較高的來流脈動風頻段存在明顯的倍頻放大效應,這種倍頻效應會導致部分來流脈動風頻段氣動力荷載效應線性迭加原理不成立,為了由單頻風波進一步分析寬帶脈動風氣動力效應,需確認氣動力荷載線性迭加原理的有效頻段。如圖7所示,針對多風扇主動風洞模擬的寬頻輸入(實心矩形點連線),可以由一系列不同頻率和波動幅值的正弦風波在多個頻段上模擬合成(空心多邊形點連線),需要指出的是由于在高頻段(＞4Hz)選取的正弦主導頻率較少,因此其和值與寬頻風譜存在一定差距,因此分析中只取頻率2～4Hz范圍。如果輸入單頻風波能量(同時包括u向和w向風譜峰值)與寬頻脈動風較為一致,模型順風向和橫風向氣動力單頻和寬頻對應荷載能量吻合程度亦較高。分析過程從側面證實：(1)對于該項研究中的類平板斷面,在2～4Hz頻段范圍單頻風波近似可滿足荷載效應線性迭加原理;(2)為獲得與真實情況一致的氣動力荷載效應,有必要增強主動風洞橫風向(w向)脈動特性模擬。

3.2 積分尺度荷載效應

湍流積分尺度在結構風荷載分析中具有不可忽略的意義,積分尺度的大小決定了脈動風對結構的影響范圍。通常認為：如果脈動渦旋大到將某一結構包含在內,則脈動風在結構各個部位引起的動荷載會疊加,反之,動荷載可能相互抵消;即脈動風積分尺度越大,作用在結構上的氣動力荷載越明顯。對于此問題,可以作如下分析。如表2比較3種不同風速和波動幅值正弦來流條件,3種情況具有相同的來流脈動頻率和相近的湍流度。按傳統的認識,可初步判斷：工況Sin-1條件積分尺度最小,標識脈動風能量的波動幅值亦最小,可得出該工況來流條件作用于模型的氣動力效應會最小,工況Sin-2和Sin-3氣動力荷載依次增大。對比主動風洞試驗分析結果(如圖8,風譜和力譜3種工況能量譜峰值比),發覺結論剛好相反,這意味著大的積分尺度不一定對應較大的荷載效應,在寬帶湍流場中,亦有相同的結論[9];傳統理論考慮了平均渦旋所引起的湍流強度的不同,但由于結構本身會對湍流各頻率成分所引起的荷載效應有選擇性的放大或者縮小。積分尺度與模型寬度之比越大,氣動力的非定常性越弱,當積分尺度足夠大,氣動力將為準定常或完全定常。

表2 不同積分尺度來流條件參數Table 2 Wind field parameters with different integral length

3.3 湍流度荷載效應

在眾多試驗工況中選擇兩類工況,第一類如表3所示,第二類如表4所示。第一類為小湍流度條件(Iu≤5.0%),第二類為大湍流度條件(5.0%≤Iu≤30.0%),除風速波動幅值和湍流度外其它參數相近。

分析模型氣動力荷載可知,對于上述兩類工況條件,順風向和橫風向氣動力荷載均隨來流湍流度的增加而顯著遞增,順風向氣動力(阻力)譜峰值大小與來流湍流度大小基本成正比(如圖9);橫風向氣動力(升力)變化比例受來流湍流度絕對數值影響較大,表現為與來流湍流度遞增而加速荷載放大變化,如小湍流條件譜峰值比：L3/L2/L1=2.35/1.70/1.00,而大湍流條件峰值比：L3/L2/L1=9.39/4.56/1.00,體現出氣動力變化的二次項附加荷載效應特點(如圖10)。

表3 不同湍流度來流參數(小湍流度條件)Table 3 Wind field parameters with different turbulence intensity(small intensity)

圖9 小湍流條件湍流度效應對于氣動力影響比較Fig.9 Comparison of turbulence intensity impact on aerodynamic force under small intensity condition

圖10 大湍流條件湍流度效應對于氣動力影響比較Fig.10 Comparison of turbulence intensity impact on aerodynamic force under large intensity condition

表4 不同湍流度來流參數(大湍流度條件)Table 4 Wind field parameters with different turbulence intensity(large intensity)

4 結 論

通過主動控制來流風洞將寬頻隨機脈動風分解為系列正弦風波組合,在驗證氣動力荷載效應在特定頻段內可線性迭加原理的基礎上,分析了不同來流風波參數對于類平板斷面的荷載效應機制,表明部分節段模型風洞試驗現象已難以由傳統隨機抖振力理論作出合理的解釋,揭示了作用在典型二維結構上氣動力荷載效應的復雜性。結合上述問題,有必要在隨后的研究中,將研究對象由類平板斷面擴展至更多的具有顯著鈍體性質的結構斷面,進一步分析氣動力荷載效應作用機制及規律。

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