仿生溝槽表面減振機(jī)理及其在橋梁上的應(yīng)用

羅益澤

1 鯊魚溝槽減阻減振表面及其現(xiàn)有的仿生應(yīng)用

鯊魚在海水中以驚人的速度游動,其表面覆蓋一層獨(dú)特的盾鱗。盾鱗的基板上具有縱向排列的肋條,肋條之間形成圓底溝槽。

20世紀(jì)70年代NASA蘭利研究中心發(fā)現(xiàn),鯊魚微小溝槽(肋條)表面能有效地降低壁面的摩阻。在這之后國內(nèi)外科學(xué)家投入仿生溝槽減阻機(jī)理的研究,并取得令人鼓舞的豐碩成果,與此同時相應(yīng)的仿生溝槽減阻技術(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中。如20世紀(jì)80年代德國飛機(jī)制造商利用帶仿生溝槽的飛機(jī)機(jī)身使飛機(jī)節(jié)省8%的燃油;國際泳衣品牌speedo公司生產(chǎn)具有仿生溝槽表面的減阻泳衣,獲得3%～5%水下減阻效果;國產(chǎn)運(yùn)七飛機(jī)表面貼上仿生溝槽可減小5%～8%阻力。以上表明仿生溝槽減阻技術(shù)得到一定的應(yīng)用并取得良好的減阻效果,但仿生溝槽的減阻特性的應(yīng)用還具有非常大的潛力,它還可以應(yīng)用到更多的工程領(lǐng)域;而且以前科學(xué)家和現(xiàn)在科學(xué)家主要集中在鯊魚溝槽減阻特性的研究,而對其減振特性少有研究。在鯊魚溝槽減阻機(jī)理基礎(chǔ)之上,結(jié)合鯊魚仿生溝槽在現(xiàn)代橋梁上的應(yīng)用,深入探究其在橋梁結(jié)構(gòu)中的減振機(jī)理具有重要的意義。

2 鯊魚溝槽減阻機(jī)理和仿生溝槽在橋梁結(jié)構(gòu)中減振機(jī)理的探究

2.1 現(xiàn)有的兩種假說解析鯊魚溝槽減阻機(jī)理

雖然眾多研究員已經(jīng)證實(shí)鯊魚溝槽表面具有良好的減阻效果,但對其機(jī)理還沒有確切的定論。目前普遍存在兩種論說:其中“二次渦”論認(rèn)為溝槽結(jié)構(gòu)和流向渦作用產(chǎn)生二次渦,二次渦減弱低速帶運(yùn)動的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致溝槽表面摩阻的減小;另一種“突出高度”論強(qiáng)調(diào),溝槽增加了邊界層中的粘性層的厚度,促使溝槽內(nèi)保留低速的流體,從而降低摩阻。

2.2 仿生溝槽在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和其減振機(jī)理的探究

2.2.1 風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的作用

風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用是指結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的空氣彈性動力響應(yīng)。這將是重點(diǎn)探究對象。其分類如下:1)渦振:由于橋梁結(jié)構(gòu)幾乎都是非流線形,風(fēng)吹過,氣流從構(gòu)件表面剝離,渦流從橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件脫離的頻率與風(fēng)的速度成正比,與構(gòu)件的斷面尺寸成反比,渦流給予橋梁相同頻率變化的升力,俯仰力矩及以2倍頻率變化的阻力,當(dāng)渦流的脫離頻率和橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率相同時,就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。2)顫振:對照旋渦脫落現(xiàn)象,振動的橋梁從流動的風(fēng)中吸收能量,由此產(chǎn)生顫振。吸收能量的大小與橋梁振動頻率,邊界層風(fēng)速成正比。3)抖振:抖振由來流的脈動成分抖振力和紊流繞過結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的脈動力共同產(chǎn)生。4)馳振:馳振是一種發(fā)散的橫風(fēng)向單自由度彎曲自激振動,可分為橫流馳振和尾流馳振。其中顫振和馳振屬于自激振動,抖振為強(qiáng)迫振動,而渦振具有自激振動和強(qiáng)迫振動兩種屬性。

2.2.2 橋梁減振機(jī)理

空氣流是一種低粘性流體,因此比起“突出高度”論、“二次渦”論更適合解析橋梁減振原理,另外“二次渦”論為眾多實(shí)驗(yàn)觀察和模擬仿真所證實(shí),而鯊魚溝槽減少單位展長內(nèi)低速流帶條數(shù)目已為robinson等人的實(shí)驗(yàn)觀察所證實(shí)。因此“二次渦”論更為合理。下面取以有入口速度為 u的風(fēng)吹向設(shè)置仿生溝槽的梁表面和平直的梁表面為研究對象,通過探討兩種表面邊界層空氣流的運(yùn)動形態(tài),進(jìn)一步探究其在橋梁結(jié)構(gòu)中的減振機(jī)理。

1)速度為u的風(fēng)吹過平直梁表面,梁表面的流體形態(tài)如圖1,圖2所示。從圖1中可以看到,單位展長內(nèi)流向渦的數(shù)目多;在圖2中發(fā)現(xiàn)梁表面邊界層流體極不穩(wěn)定,存在數(shù)目多的低風(fēng)速帶和距梁后端很近的卡曼旋渦。2)速度為 u的風(fēng)流過設(shè)置有仿生溝槽的梁表面,梁表面的流體形態(tài)如圖3,圖4所示。從圖 3可以看到,單位展長內(nèi)流向渦的數(shù)目減少,在圖4中發(fā)現(xiàn)梁邊界層流體運(yùn)動變得穩(wěn)定,只存在少數(shù)的低風(fēng)帶和距梁后端較遠(yuǎn)的卡曼旋渦。

綜合分析探究橋梁的減振機(jī)理:1)仿生溝槽與流向渦作用產(chǎn)生與流向渦方向相反的二次渦,二次渦與流向渦相互作用,進(jìn)而削弱流向渦的強(qiáng)度和限制流向渦的展向運(yùn)動,從而削弱流向渦對橋梁的作用強(qiáng)度。2)二次渦限制流向渦的展向運(yùn)動,進(jìn)而削弱了它們集結(jié)低速流體和向上抬升流體的能力,從而減弱氣流從橋梁表面的剝離能力,即降低了氣流從橋梁表面剝離頻率和強(qiáng)度,達(dá)到減弱渦振的效果。3)由于集結(jié)低速流體和抬升低速流體能力的削弱,降低了湍流猝發(fā)的強(qiáng)度,進(jìn)而促使溝槽表面邊界層流體速度脈動和壓力脈動減弱,從根本上達(dá)到減弱抖振的效果。4)隨著溝槽表面邊界層流體運(yùn)動穩(wěn)定性的提高,溝槽表面邊界層存在穩(wěn)定的低速流帶,因此有效地將溝槽表面和外部高速流體隔開,使外部高速流體從低速流帶上流過,而不是直接從溝槽表面流過,降低了橋梁從風(fēng)中吸收能量的能力,從而減弱了由振動橋梁從風(fēng)中吸收能量而產(chǎn)生的顫振。5)溝槽表面邊界層存在穩(wěn)定的低風(fēng)速帶,并將溝槽表面和高風(fēng)速不穩(wěn)定流體隔開,因此當(dāng)風(fēng)離開梁后端時,沿梁頂面和底面延伸的水平面仍保持較穩(wěn)定的低速流體,進(jìn)而增大了尾流中的卡曼漩渦在梁后端的形成距離,從而減弱了由尾流作用產(chǎn)生的尾流馳振。

2.2.3 溝槽尺寸的設(shè)計(jì)及其在橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

科研人員對鯊魚溝槽的幾何形貌進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測。其中Luchini發(fā)現(xiàn)溝槽高度(h)與間隔(s)之比 h/s≥0.6倍時,減阻效果較好,這一結(jié)果啟示了Bruse在原有的溝槽間插入一小薄片,這樣可能抑制流體在原有溝槽間的紊流,達(dá)到減阻效果;而Bchert等人發(fā)現(xiàn),h/s=0.5時減阻效果更好,比照光滑表面減阻9.9%,并認(rèn)為當(dāng)h/s＞0.6時,減阻效果可隨高度增加而增加。由于鯊魚溝槽表面減振機(jī)理是在其減阻機(jī)理基礎(chǔ)上,結(jié)合其在橋梁的應(yīng)用,探索出減振理論。因此其最佳減振尺寸和其減阻尺寸相近。在還沒有完全精確得出其最佳減振尺寸之前,以上減阻尺寸在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要的指導(dǎo)意義,用在橋梁的減振尺寸可以大致按照以上尺寸設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)中的主梁,塔柱,鋼索是重要的承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件,也是橋梁結(jié)構(gòu)承受風(fēng)作用的主要構(gòu)件。

2.3 仿生溝槽在橋梁工程應(yīng)用的展望

進(jìn)入21世紀(jì),隨著造陸和人工島活動的頻繁開展,橋梁趨于長跨度化,輕質(zhì)化,高強(qiáng)化。因此對橋梁的抗風(fēng)性能提出了前所未有的要求,橋梁工程中的抗風(fēng)設(shè)計(jì)成為整個橋梁設(shè)計(jì)中控制性設(shè)計(jì)。而自然界蘊(yùn)含著無窮的奧妙,值得不斷地探索和學(xué)習(xí)。盡管鯊魚仿生溝槽在未來橋梁的發(fā)展應(yīng)用中會遇到困難,但隨著仿生學(xué)技術(shù)水平的提高和仿生溝槽在橋梁中的減振機(jī)理的不斷深入研究,鯊魚仿生溝槽在橋梁工程中的應(yīng)用將會無止境。

3 結(jié)語

在此向在探索鯊魚溝槽減阻機(jī)理工作中投入大量精力的科研工作者和廣大橋梁專家,表示崇高的敬意。

[1]D.J.特里頓.物理流體力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1986.

[2]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(修訂版)[M].北京:中國鐵路出版社,1996.

[3]項(xiàng)海帆.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南[M].北京:人民交通出版社,1996.

[4]劉 博.快速鯊魚蹲鱗的掃描電鏡表征研究[J].河北漁業(yè),2008(7):18-19.

[5]胡海豹,宋保維,潘 光,等.鯊魚溝槽表皮減阻機(jī)理的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(21):21-22.

[6]劉健新.橋梁結(jié)構(gòu)的對風(fēng)反應(yīng)[J].西安公路學(xué)院學(xué)報(bào),1987(2):32-33.

[7]于 輝,謝守軍.仿生學(xué)在現(xiàn)代橋梁工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(34):327-328.