D形斷面柱體馳振耦合氣動力特性試驗研究

馬文勇　鄧然然　盧金玉

摘要：覆冰導線馳振耦合氣動力特性的研究是解釋馳振機理的主要手段，也是開發氣動抑振措施的主要依據。以常被作為模擬導線覆冰形狀的D形斷面為研究對象，采用靜態氣動力、馳振響應及耦合氣動力測試風洞試驗，研究分析了D形斷面柱體的靜態氣動力特性，基于準定常假設的單自由度橫風向馳振理論預測了馳振發生的風向角及臨界風速，通過馳振響應及動態氣動力分析，揭示D形斷面馳振的氣動力變化過程。結果表明：D形斷面在來流與其直線側夾角為40。左右時易發生橫風向大幅振動；振動是由氣流的分離狀態隨風向角變化引起的，其響應的主要氣動力貢獻也來自分離點后的尾流區域。這種對分離點的敏感表明，通過控制氣流的分離點可以提供有效的抑制馳振措施。

關鍵詞：風洞試驗；D形斷面柱體；馳振不穩定性；馳振響應；耦合氣動力

引言

以覆冰導線舞動為代表，馳振是一種發生在細長結構上的、以橫風向為主的風致大幅振動，是一種氣動失穩的流固耦合現象。目前，還無法從數學上系統描述流固耦合的過程，也沒有穩定的數值求解方法，因此需要根據流固耦合特點將其簡化為諸如渦激共振、馳振及顫振等不同振動類型分別進行研究。

從斷面形狀上看，馳振發生在非圓形斷面上。以覆冰導線為例，覆冰改變了導線斷面形狀，形成了新月形、扇形或者類似于D形斷面；這種可能引起馳振的斷面形狀常被稱為馳振不穩定斷面，其中D形常被用作模擬覆冰導線斷面研究其舞動現象，該斷面形狀也是唯一一種通過現場實測確認的馳振不穩定斷面；從振動發生的方向上看，從橫風向單自由度振動，扭轉單自由度，彎扭耦合兩自由度，發展到目前的橫風向、順風向和扭轉向耦合的三自由振動。由于兩自由度和三自由度馳振實際上是由于結構在各個方向自振頻率相同或存在倍數關系形成的結構動力耦合，一般對于單根導線而言扭轉向自振頻率遠大于橫風向自振頻率，因此橫風向單自由度馳振模型仍然是馳振最主要的理論模型之一。

從耦合機理上看，馳振被認為是一種準定常過程，即馳振發生時，作用在結構上的氣動力由來流風速和結構運動速度決定，可以簡單描述為：結構運動速度決定相對風向角、相對風向角決定平均氣動力。滿足準定常假設是馳振區分渦激共振和顫振的一個主要依據。這種假設由Den Hartog提出，并分別由Fung和Blevin給出了采用折減風速作為滿足準定常假設的量化判斷標準。該假設極大地簡化了馳振的研究模型。基于準定常假設，馳振任意時刻的動態氣動力可由對應相同相對風向角下的定常狀態的靜態氣動力描述。因此馳振發生的臨界風速以及馳振響應都可以通過不同風向角下的平均靜態氣動力進行分析。

由于馳振被認為是一種空氣動力失穩現象，在工程設計中應當盡量避免其發生，因此工程設計人員對馳振臨界風速計算以及如何提高馳振臨界風速比較感興趣，加上馳振發生后索結構本身復雜的幾何非線性以及馳振動態氣動力的非線性特點，對馳振響應尤其是馳振動態氣動力的研究很少。近年來，由于位于臨界雷諾數區氣動力的不穩定性，準定常假設無法預測光滑斷面位于臨界雷諾數區的大幅振動（干索馳振），該假設的適用性以及馳振動態氣動力特性開始受到工程界的關注。事實上，雖然準定常假設在非臨界雷諾數區多種斷面形狀的馳振風向角及馳振臨界風速的估算上都得到了有效的驗證，但是發生馳振時的動態氣動力的變化規律研究幾乎未見報道。這種動態氣動力的變化規律不僅可以揭示馳振的耦合過程，也可以為開發馳振抑振措施提供依據。

以揭示D形的斷面馳振耦合過程及馳振耦合氣動力特點為目的，本文通過靜態模型測壓風洞試驗和彈性支撐模型測振及測壓試驗，對D形斷面的靜態氣動力、馳振響應、馳振耦合氣動力的特點進行了分析，并討論了準定常假設的適用性、D形斷面馳振耦合的氣動力特點及該氣動力的形成原因。