雙圓柱尾流激振研究進展

李大樹

（上海大學，上海 200072）

雙圓柱尾流激振研究進展

李大樹

（上海大學，上海 200072）

雙圓柱尾流激振是流體力學中經(jīng)典而復雜的課題，很多國內外學者都對它做出了較為深入的研究，但是對尾流激振的機理還不是很透徹，因此還需要更為細致的研究。文章通過總結關于尾流激振的理論分析、風洞試驗、數(shù)值模擬的相關研究，提出了對今后研究重點，發(fā)展趨勢的看法，認為PIV風洞試驗有著風洞試驗和數(shù)值模擬的優(yōu)點，對解釋尾流激振機理意義重大。

尾流激振；理論分析；風洞試驗；數(shù)值模擬

1 前 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁拔地而起。拉索常常作為一種承重構件廣泛的應用于各種大跨度橋梁之中。拉索的空間位置多種多樣，當兩根或多根索相鄰布置時，上游索的尾流干擾常常會使下游索發(fā)生振動，這種尾流激振往往危害甚大。1992年，Matsumoto等對發(fā)生風致振動的六座斜拉橋的最大振幅情況做了總結：其中法國的Brotonne大橋為60 cm；德國的Koehlbrant大橋為100 cm；丹麥的Faroe大橋為200 cm；日本的Meikoh West大橋為26 cm，Aratsu大橋為60 cm，Tenpohzan大橋為195 cm。另外，拉索的振動會帶來舒適度的問題，引起了很多國內外學者的關注。

Fujino和Siringoringo總結了以往的研究成果，把并列索的尾流激振分為三種不同機理的振動類型：尾流致渦激振動、尾流馳振和尾流致顫振。尾流致渦激振動是一種限幅限速振動，而尾流馳振和尾流顫振則是發(fā)散性自激振動現(xiàn)象。常見的研究尾流激振的方法有三種，即：理論分析，風洞試驗，數(shù)值模擬。

2 理論分析

理論分析是基于結構振動理論，在對復雜的風振現(xiàn)象做適當簡化的基礎上，對結構進行受力分析，獲得結構風荷載及其響應。理論分析方法作為一種研究手段，必須以現(xiàn)場實測或風洞試驗結果為基礎，校驗其準確性。迄今為止，許多學者通過大量研究提出了多種渦激力模型，主要代表有以下幾種五種：（1）簡諧力模型；（2）升力振子模型；（3）經(jīng)驗線性模型；（4）經(jīng)驗非線性模型；（5）Larscn模型。

目前土木工程中常用的是Scanlan經(jīng)驗非線性模型。周濤，朱樂東，郭震山利用渦激共振豎向位移響應，基于廣義諧波函數(shù)KBM法并引入緩變參數(shù)的概念，對Scanlan經(jīng)驗非線性模型進行處理，識別其中的氣動參數(shù)，并得到Scanlan非線性渦激力。李永君等基于廣義非線性渦激力模型，闡明了綜合反映質量參數(shù)和阻尼參數(shù)的Scruton數(shù)對渦振振幅和鎖定風速區(qū)間的影響。晏致濤根據(jù)能量原理推導出風速沿高度變化的梁單元的氣動阻尼矩陣，對渦振方程進行計算分析，并求解渦振鎖定區(qū)的穩(wěn)態(tài)解。另外Barhoush鮮榮李立廖等分別基于Scanlan經(jīng)驗非線性模型，做出了深入的研究。

相對于渦激共振，尾流馳振的理論模型較少，大多根據(jù)振動微分方程組的穩(wěn)定性來判斷是否會發(fā)成馳振。雙圓柱繞流情況下，假設下游柱體截面中心位置為（X，Y），并在水平與垂直兩個方向彈性懸掛，順風向和橫風向坐標X、Y都以上游柱體的截面中心為原點，則下游柱體的運動方程用該柱體偏離坐標點（X，Y）的位置（x，y）表示為

式中：為下游柱體單位長度質量；、分別為和方向的阻尼系數(shù)；為約束下游柱體運動的直接彈簧常數(shù)和交叉耦合彈簧常數(shù)；、分別為方向的氣動力分量。如果定義和為相對自由來流動壓作用在位于（X，Y）處柱體上的平均定常系數(shù)，采用準定常氣動力理論，和方向上的準定常氣動力可表示為

式中：U為上游自由流速度；為（X，Y）處方向的尾流平均速度；D為柱體的橫風向投影尺寸；和及其導數(shù)可通過風洞試驗得到。

3 風洞試驗

風洞實驗指在風洞中安置某物體模型，研究氣體流動及其與模型的相互作用，以了解實際物體的空氣動力學特性的一種空氣動力實驗方法。風洞試驗主要通過表面測壓、測力、測振及測速方法研究橋梁索的渦振，馳振等。

4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬目前主要分為雷諾平均N-S模擬（RANS）、大渦模擬（LES）和直接數(shù)值模擬（DNS）三種。數(shù)值模擬相對于直接風洞試驗有很多優(yōu)點：（1）可以避免縮尺比的影響；（2）具有周期短、費用低的特點；（3）能夠形象細致的展現(xiàn)流場流態(tài)。同時，數(shù)值模擬方法也存在一定的缺陷：（1）缺少普遍適用的湍流模型；（2）數(shù)值計算的收斂性和精度不夠。因此現(xiàn)階段數(shù)值計算不能完全代替風洞試驗，計算結果需要經(jīng)過風洞試驗的驗證。

采用任意拉格朗日-歐拉方法數(shù)值模擬圓柱在尾流中的流體誘發(fā)振動特性。重點分析了圓柱的動力學響應特性，包括升阻力、位移振幅、拍和鎖定等現(xiàn)象；另外也詳細分析了圓柱的尾渦結構。通過模擬柱體和流體之間的非線性耦合作用，成功地捕捉到了鎖定拍和相位開關等現(xiàn)象，并與試驗數(shù)據(jù)相吻合。采用CFD的方法對圓柱的流向與橫向耦合渦激振動的性質進行了數(shù)值模擬。在計算時雷諾數(shù)的區(qū)間取為2.5×104～2.5×105，利用FLU-ENT軟件對粘性不可壓縮流體的N-S方程以及結構的動力響應方程進行求解。得到了圓柱發(fā)生渦激振動時的升力系數(shù)，根據(jù)升力系數(shù)計算出旋渦脫落頻率和斯特羅哈數(shù)，研究了升力系數(shù)、阻力系數(shù)、振幅比和頻率比隨著折減速度的變化而變化的規(guī)律。在亞臨界雷諾數(shù)范圍內，根據(jù)實驗條件，采用離散渦方法求解了圓柱體的渦激振動問題。

5 結語和展望

拉索尾流激振現(xiàn)象的機理非常復雜，容易受多種因素的影響，如：拉索傾角、來流方向、來流湍流度、拉索自振頻率、拉索阻尼、雷諾數(shù)、拉索表面粗糙度等。很多學者對于拉索尾流激振的大多都采用風洞試驗的方法來研究拉索的振動特性，氣動力特性，但是常規(guī)的風洞試驗并不能觀察到雙圓柱的流場特性，因此很難闡釋尾流激振的發(fā)生機理。當然，采用數(shù)值模擬方法可以很容易的觀察到流場特性，但是數(shù)值計算的準確性又需要風洞試驗來驗證，所以，這兩種研究方法都不能很好的反應流場的特性。PIV試驗作為一種特殊的風洞試驗，有著很大的優(yōu)勢，既可以具備常規(guī)風洞試驗的優(yōu)勢，有可以清楚、直觀的觀察到各種情況下，各個時刻的流態(tài)，對于解釋尾流激振的發(fā)生機理有著很重要的作用。

［1］ 許福友，丁威，姜峰，張哲.大跨度橋梁渦激振動研究進展與展望［J］.振動與沖擊，2010，（10）：40-49，249.

［2］ 埃米爾.希繆，羅伯特.H.斯坎倫.劉尚培，等譯.風對結構的作用-風工程導論［M］.上海：同濟大學出版社，1992.

［3］ 周濤，朱樂東，郭震山.經(jīng)驗非線性渦激力模型參數(shù)識別［J］.振動與沖擊，2011，（3）：115-118+144.

U442

C

1008-3383（2016）09-0086-02

2016-02-26

李大樹（1989-），男，江蘇連云港人，研究方向：結構風工程。