中央穩定板提高顫振穩定性能的細觀作用機理

歐陽克儉， 陳政清

(1.國網湖南省電力公司 電力科學研究院，長沙　410007； 2.湖南大學 風工程研究中心，長沙　410082)

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中央穩定板提高顫振穩定性能的細觀作用機理

歐陽克儉1,2， 陳政清2

(1.國網湖南省電力公司 電力科學研究院，長沙410007； 2.湖南大學 風工程研究中心，長沙410082)

摘要：通過CFD數值模擬以及PIV風洞試驗研究了中央穩定板對矮寨桁架梁懸索橋斷面繞流的細觀作用機理。CFD數值模擬表明中央穩定板促進了在橋面中央附近形成位于上下橋面的旋渦對，使之相當于升力的作用。有穩定板斷面前端和尾部的旋渦體積增大，進而使橋梁斷面在顫振中的豎向自由度參與作用增強。PIV流跡顯示氣流在中央穩定板的背風側形成了漩渦，在模型尾部同樣有旋渦的形成，進一步驗證了CFD數值模擬的正確性。

關鍵詞：顫振；氣動措施；中央穩定版；PIV；CFD

氣動控制措施對顫振性能的細觀作用機理主要有粒子圖像測速技術(Particle Image Velocimetry)簡稱為PIV和CFD兩種方式。Palombi等[1]對大海帶東橋以及不同類型的矩形斷面進行了PIV試驗，分析了斷面的旋渦大小、強度、間距以及渦跡特征。張偉等[2-3]基于同濟大學專用的PIV風洞試驗室對一些典型斷面的顫振機理進行了系統的研究。劉祖軍[4]通過PIV試驗發現靜場繞流的箱梁斷面在尾部有尺度較大的旋渦，接近圓形，風嘴和模型下底部是旋渦產生的主要部位。Larsen[5]通過離散渦的CFD分析方法對Tacoma橋梁斷面的簡化模型進行了顫振機理方面的研究。Watanabea等[6]基于CFD方法研究了中央開槽對三分力系數的影響，得到了模型表面的壓力分布，該方法僅考慮了中央開槽對靜力系數的影響。Sarwar等[7]通過CFD方法分析了導流措施對高墩類矩形斷面氣動性能的影響，研究發現導流措施能夠很好的抑制結構的振動幅值。

位于湖南西部山區的吉首至茶洞公路段的矮寨大橋為一座鋼桁加勁梁懸索橋，該橋設計方案不能滿足顫振檢驗風速的要求[8-9]。本文即以矮寨大橋為研究背景，對中央穩定板提高該橋顫振穩定性的細觀作用機理進行研究，首先根據CFD數值模擬，研究了中央穩定板對桁架斷面旋渦的的作用規律，從細觀的角度對中央穩定板提高桁架梁懸索橋的顫振性能進行剖析；然后基于PIV風洞試驗[10-11]，對矮寨大橋節段模型繞流流場進行了研究。PIV風洞試驗和CFD數值模擬研究結果互相比對，校核結果。

1CFD數值模擬研究

鑒于橋梁節段模型試驗是基于片條理論假設[12-14]，為節省計算工作量，本文將桁架模型進行一定的簡化，使之滿足二維數值計算的要求。具體簡化方法為：將貫通全橋的主桁、上下穩定板、工字梁、中央穩定板、檢修軌道底板按橫橋向截面截取；將橋面欄桿進行風阻面積等效；上下平聯和斜腹桿按在每個桁架段空間交錯的中心位置近似截取。有穩定板簡化模型如圖1所示，無穩定板計算模型簡化類似。有無中央穩定板兩種模型都封閉了中央開槽。

矮寨大橋斷面CFD模型尺寸和風洞節段模型試驗尺寸相同。模型寬度B=0.54 m。入口距斷面中心8B，出口距斷面中心16B，入口采用速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，上下壁面采用自由滑移壁面邊界條件，模型斷面采用無滑移的壁面邊界條件，風攻角為0°，邊界條件具體設置如圖2。當入口風速為10 m/s時。當風速為10 m/s，SST湍流模型計算得到的升力系數的頻譜曲線如圖3所示，其中頻率信息顯示含有14.8 Hz、8.2 Hz、24.2 Hz等成分。

圖1　有穩定板二維簡化模型Fig.1 Two dimensional simplified numerical model of the Central stabilizer

圖2 二維桁架模型計算域及邊界條件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditionsoftwodimensionaltrussmodel圖3 有穩定板模型升力時程幅值譜Fig.3Lift-timecurveofmodewithcentralstabilizer

從升力時程曲線可以看出SST湍流模型對旋渦脫落的捕捉能力明顯強于k-ε湍流模型。兩種湍流模型計算得到的平均三分力系數和試驗的對比結果如表1所示，k-ε模型三分力系數的計算結果和試驗值較為接近，尤其是扭矩系數正負號和試驗值一致。從三分力系數的CFD數值模擬結果可以看出，對于矮寨大橋模型斷面的簡化處理是合理有效的，完全滿足計算精度要求，只是在湍流模型的選擇上要有針對性。

表1　有穩定板0°攻角三分力系數對比

分別基于SST和k-ε兩種湍流模型計算了有無穩定板的模型斷面在風速為6 m/s和10 m/s時的平均流場。圖4和圖5為有穩定板的斷面的流線顯示，無穩定板斷面模型和有穩定板斷面模型的計算工況一致，無穩定板斷面模型的流線顯示如圖6和圖7所示。

從圖4的平均流場可以看出，氣流首先穿透迎風側的防撞欄桿，進入前半橋面，在前半橋面的上表面和下表面周圍區域沒有形成旋渦，流線較為光滑。氣流繞過上下穩定板時在上下穩定板的背風側都有一個和穩定板等高的旋渦形成，后半橋面的上部氣流穿過下游防撞欄桿進入尾流區域。后半橋面的下部氣流在穿過橋面板底部從下游主桁上弦穿出時形成的氣流剪切且沖擊穿透上部欄桿的氣流作而形成了一個體積較小的旋渦。在模型斷面的其他區域流線都很光滑，沒有旋渦生成。盡管兩圖反映的風速不同，得到的流場變化基本一致。圖5的流線顯示在上下中央穩定板的背風側形成有旋渦對，但是在模型尾部沒有觀察到旋渦的形成，這也說明由于近壁面網格處理和計算的原因，SST湍流模型對旋渦的撲捉能力較k-ε湍流模型更強。對于無穩定板的情況，圖6得到的兩個不同風速的流線顯示圖基本一致，在此一并說明。首先氣流從上游主桁上弦和橋面板的間距之間進入下橋面，此時可以看出，幾個“工”字型縱梁之間的小旋渦連成一個整體，也即在迎風側橋面板的底部形成一個體積較大的旋渦。上橋面氣流穿透所有欄桿進入尾流。下部橋面氣流在穿過橋面板底部從下游主桁上弦穿出時形成的氣流剪切且沖擊穿透上部欄桿的氣流作而形成了一個體積較大的旋渦。由圖7所示k-ε湍流模型在兩個風速下沒有捕捉到旋渦。綜合對比有無穩定板模型由SST湍流模型得到的計算結果：無穩定板模型在橋梁斷面的迎風側和尾部都發現了明顯的旋渦，且旋渦的體積較大，而在有穩定板的計算工況中沒有發現橋梁模型在迎風側有旋渦形成，只在模型尾流區域有體積較小的旋渦生成，更為明顯的是有穩定板模型在靠近模型的中間位置，也即穩定板的背風側形成了一個上下旋渦對。初步分析，由于沒有穩定板的模型在迎風側和尾流區有明顯的旋渦形成，這對旋渦可能交替作用橋梁模型，產生一個扭矩作用，從而誘使橋梁顫振的發生。而有穩定板的作用時，迎風側橋面底板沒有過大的旋渦，相應的在尾流區域也只有相對較小的旋渦，從而使得氣流對橋梁的力矩作用減弱。在靠近模型中央，也就是上下穩定板的背風區域形成了明顯的旋渦對，這使得旋渦的交替作用相當于氣動升力的形式，使得橋梁豎向自由度的參與程度增強而扭轉自由度的參與程度減弱，進而達到提高顫振臨界風速的目的。這和前期研究中中央穩定板的宏觀機理解釋吻合[8-9]。

圖4 有穩定板模型穩態流線(SST湍流模型)Fig.4Steadystreamlineofmodewithcentralstabilizer(SSTturbulencemodel)圖5 有穩定板模型穩態流線(k-ε湍流模型)Fig.5Steadystreamlineofmodewithcentralstabilizer(k-εturbulencemodel)圖6 無穩定板模型穩態流線(SST湍流模型)Fig.6Steadystreamlineofmodewithoutcentralstabilizer(SSTturbulencemodel)

2PIV風洞試驗

矮寨大橋主梁斷面縮尺比1∶50，節段模型固定于風洞內部，如圖8所示。CCD相機鏡頭產自尼康公司，焦距為85 mm，光圈為1.4，相機的有效像素是1 100 萬像素，最大分辨率為4 000×2 672 像素，每個像素的尺寸為9 μm×9 μm。采樣頻率為5 Hz，試驗采用的激光波長為532 nm的綠光。

圖8　矮寨大橋節段模型PIV試驗Fig.8 PIV wind test of section model of aizhai bridge

由于矮寨大橋模型橋面以下為桁架交錯結構，這將遮擋CCD相機對激光面位置流場的有效拍攝，故本次試驗只進行了0°攻角模型上表面和尾部流場的PIV風洞試驗。由于橋梁模型相對相機拍攝面過寬，同時也為保證相機拍攝區域為激光投射能量的集中區域，特將模型上表面和模型尾部分成兩個工況進行試驗，節段模型通過剛性固定于湖南大學Ⅱ風洞試驗高速段。

當激光投射到模型表面時，白色的塑料材質欄桿和木質橋面板會產生反射和散射，影響相機對流場的有效捕捉，為盡量降低這一因素的影響，在激光面投身區域附近噴灑了亞光黑漆，使得曝光減少，拍攝效果得到明顯改善。通過5次采集，每次連續采集20組圖片后進行互相關的平均計算即可得到模型繞流的平均流場。進行了0°攻角，風速分別為6 m/s和10 m/s有無穩定板節段模型的靜場繞流PIV風洞試驗。

由圖9的試驗結果顯示，風速為6 m/s時，有穩定板模型的上表面在中央穩定板的背風側形成了一個明顯的旋渦，這和CFD數值模擬結果一致，只是在體積大小上有所不同。速度云圖說明迎風側前半橋面上方的氣流速度整體大于下游后半橋面，風速沿橋面往上呈梯度變化，這是由于橋面和橋面附屬設施的粘性作用所致。以中央穩定板的高度作為參照物，發現PIV試驗撲捉到的旋渦體積要小于CFD數值模擬結果。由圖9、圖11、圖13、圖15可知，有無穩定板的模型斷面在下游防撞欄桿的附近均有體積細小的旋渦形成，這是在CFD數值模擬中所沒有發現的，這也說明PIV試驗對旋渦的捕捉能力要強于CFD中的SST湍流模型所計算的結果。圖11顯示無穩定板模型上中央防撞欄附近沒有形成旋渦。圖10、圖12、圖14、圖16說明有無穩定板的模型斷面尾部都有體積相對較大的旋渦形成，旋渦旋轉方向為順時針，該旋渦的形成是由于氣流從下游主桁和橋面之間的間距沖出，形成的順時針旋渦。這與CFD數值模擬得到的結論一致。

圖9　有穩定板模型上表面平均流線和速度云圖(風速6 m/s)Fig.9 Surface streamline and velocity cloud picture of mode with central stabilizer(6 m/s)

圖10　有穩定板模型尾部平均流線和速度云圖(風速6 m/s)Fig.10 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(6 m/s)

圖11　無穩定板模型上表面平均流線和速度云圖(風速6 m/s)Fig.11 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(6 m/s)

圖12　無穩定板模型尾部平均流線 (風速6 m/s)Fig.12 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(6 m/s)

圖13　有穩定板模型上表面平均流線(風速10 m/s)Fig.13 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(10 m/s)

圖14　有穩定板模型尾部平均流線和速度云圖(風速10 m/s)Fig.14 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(10 m/s)

圖15　無穩定板模型上表面平均流線和速度云圖(風速10 m/s)Fig.15 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(10 m/s)

圖16　無穩定板模型尾部平均流線和速度云圖(風速10 m/s)Fig.16 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(10 m/s)

風速為10 m/s時有無中央穩定板兩種工況之間流場的變化和風速為6 m/s時大致相同，只是當風速增大時，在中央穩定板下游側形成的旋渦要稍微遠離穩定板，這是由于較大的風速對旋渦的沖擊作用更強所致。圖14顯示尾部流跡在模型尾部形成了一個體積較大的旋渦之后在該旋渦一定距離后再由一個體積更小的旋渦生成，兩個旋渦的旋轉方向一致。PIV試驗的結果進一步驗證了CFD數值模擬的正確性。

3結論

CFD數值模擬從細觀的角度說明中央穩定板對桁架梁懸索橋斷面繞流的作用機理。研究認為中央穩定板促進了在橋面中央附近形成位于上下橋面的旋渦對，使之相當于升力的作用，同時在無穩定板斷面前端和尾部的旋渦體積減小，進而使橋梁斷面在顫振中的豎向自由度參與作用增強，而非認為中央穩定板是切斷了漩渦的傳遞路徑，達到抑制旋渦移動的效果。

PIV流跡顯示氣流在中央穩定板的背風側形成了漩渦，在模型尾部同樣有旋渦的形成，這驗證了CFD數值模擬的正確性，但PIV風洞試驗發現在下游橋面欄桿附近有體積較小的旋渦形成，這是在CFD模擬中沒有發現的。總的來說，兩種細觀機理研究表明中央穩定板使得在模型前后兩段的旋渦體積減小，可能對模型的扭矩作用減弱；在上下中央穩定板背風側形成的旋渦相當于升力作用，使得模型的豎向自由度參與增強，而扭轉自由度的參與效應較弱。當然本文只進行了靜場繞流的CFD數值模擬和PIV風洞試驗，進一步的研究和試驗對該結論的驗證是必要的。

參 考 文 獻

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基金項目：國家自然科學基金重大研究計劃(重大建筑與橋梁強/臺風災變的集成研究91215303)

收稿日期：2014-05-22修改稿收到日期：2014-08-22

中圖分類號:U441.3

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.003

Micro-mechanism of a central stabilizer for improving a bridge’s flutter stability

OUYANG Ke-jian1,2, CHEN Zheng-qing2

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China；2. Wind Engineering Research Center, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract:CFD numerical simulation and PIV wind tunnel tests were conducted to study the micro-mechanism of a central stabilizer for a flow around Aizhai truss suspension bridge cross-section. CFD numerical simulation showed that the central stabilizer promotes the formation of vortex pairs at the upper and lower deck near the center of the bridge deck and makes them be equivalent to the action of lift force; vortex volumes of front and tail of central stabilizer grow to enhance the participation function of the vertical DOFs of the bridge cross-section in flutter. PIV flow trace indicated that the air flow on the leeward side of the central stabilizer forms vortexes, the same vortex formation occurs at the end of the bridge model, the correctness of CFD numerical simulation is verified.

Key words:flutter; aerodynamic measures; central stabilizer; PIV; CFD

第一作者 歐陽克儉 男，博士，高級工程師，1981年生