双幅连续梁桥钢箱梁涡激振动机理分析

对某双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动进行风洞试验和数值模拟研究。基于二次开发UDF(user defined function)程序嵌入Fluent软件进行二维流固耦合分析,模拟了双幅桥梁断面的涡激振动;通过对比节段模型风洞试验及数值模拟结果,验证了数值模拟方法的可靠性,并从流场的角度直观分析双幅钢箱梁断面涡激振动机理。研究结果表明：上游幅主梁断面下表面的主涡与其背风侧的正压区的周期性变化诱发了上游幅主梁断面的竖向涡激振动;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡交替作用于主梁断面并脱落,形成了周期性的作用,导致了下游幅主梁断面的竖向涡激共振;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡分别在迎风侧栏杆与上游幅箱梁尾部、下游幅箱梁前端得到增强,导致了下游幅主梁断面的涡激振动的振幅大于上游幅主梁断面。研究结果为双幅桥梁或双钝体断面的涡激振动研究提供参考经验。     

基于CFD和CSD耦合的涡激振和颤振气弹模拟

以FLUENT为研究工具,利用微分方程的数值解法和动网格技术,基于松耦合方法将Newmark算法通过UDF嵌入Fluent软件中,实现了CFD和CSD耦合的分析方法。通过建立二维方柱绕流模型,计算了竖向单自由度振动方柱在不同风速下的斯托罗哈数和最大振幅的变化情况,模拟了涡激共振锁定现象,并与静态绕流的结果进行了对比。建立了具有竖向振动和扭转振动二自由度的薄平板模型,并识别了该平板的颤振导数,进一步对其弯扭耦合颤振临界风速进行了逼近计算,本方法得到的颤振临界风速与Scanlan理论公式和Selberg理论公式吻合较好。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

宽高比为4的矩形断面涡激振动响应数值模拟

采用二维雷诺平均（RANS）SST 湍流模型求解不可压缩粘性流体N-S方程,并将Newmark- 法代码嵌入Fluent UDF（用户自定义函数）中以求解结构振动响应,结合动网格技术对宽高比为4的矩形断面涡激振动响应进行了数值模拟。研究结果显示：宽高比为4的矩形断面涡激振动“锁定”区间以及涡激振动响应振幅的数值模拟结果与已有文献风洞试验结果吻合较好;表明采用该方法进行具有分离、再附现象的钝体断面涡激振动是可行的     

大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析

本文利用CFD方法,研究了较高雷诺数下圆柱流向与横向耦合涡激振动特性。利用FLUENT软件求解粘性Navier-Stokes方程、圆柱涡激振动的结构动力响应方程,运用动网格技术,实现流固耦合,对圆柱进行了单自由度和两自由度涡激振动的数值模拟,得到了雷诺数为 范围内的圆柱涡激振动的升力系数、阻力系数、振幅比及频率比随约化速度变化的规律,捕捉到涡激流固耦合振动的“锁定”“相位开关”等现象,结果表明在此雷诺数范围内锁定区域对应的折减速度范围为Ur=3~7.5。对比单自由度及两自由度的模拟结果,表明在低质量比情况下,流向的振动会对横向振动产生影响。     

梁侧导流板对π型叠合梁断面涡振性能影响及抑振机理研究EI北大核心CSCD

具有开口形式的π型断面是一种易发生涡激振动(vortex-induced vibrations,VIVs)的钝体断面。为了准确把握某主跨520 m的π型叠合梁斜拉桥的涡振性能,开展了1∶25大尺度节段模型风洞试验,比较了在边主梁侧面布置不同的导流板(即梁侧导流板)对主梁涡振性能的影响。试验结果表明,原设计断面在-3°和-5°风攻角下存在显著的竖向涡振现象。当设置宽度为1.5 m、水平倾角为35°的梁侧导流板后,主梁在不同风攻角下均未发生涡振。通过对主梁绕流场数值模拟初步探讨了主梁发生竖向涡振的原因及导流板的抑振机理。模拟结果表明,导流板能够减小主梁底部区域旋涡的尺寸,使主梁上、下表面周期性压力差和气动力显著减小,从而削弱了诱发主梁涡振的条件,起到了抑制主梁竖向涡振的作用。该研究结果可为π型叠合梁断面的涡振抑振措施设计提供参考。     

栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响研究

为了研究栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响,通过风洞试验分别研究了有无栏杆桥梁断面的涡激振动响应。裸梁断面风洞试验没有发生涡激振动,上下表面的脉动压力对涡激振动的贡献很小。栏杆断面风洞试验则发生了明显的竖向涡激振动现象,上下表面中下游脉动压力对涡激振动贡献较大。栏杆使得上表面的来流分离更彻底,改变了上表面的压力系数均值,但不能改变下表面的压力系数均值,栏杆不仅能够改变上表面的压力脉动情况,同时也显著增大下表面的压力脉动幅值。     

两自由度椭圆柱体涡激振动的数值模拟

摘要：利用作者编制的基于松耦合方法求解气动弹性问题的程序,对高雷诺数条件下椭圆柱体的涡激振动进行了数值模拟。椭圆柱体的长短轴比接近2,来流和长轴垂直。数值结果表明：尽管椭圆柱体在横向和流向的动力参数不同,结构振动仍以横向振动为主;和圆柱以及方柱一样,两自由度椭圆柱体的涡激振动同样存在流向锁定和横向锁定,并且随着折减风速的增大,旋涡脱落模式从异相2S变化为同相2S。     

海底多跨管道流-固-土多场耦合试验研究

为弥补现阶段缺乏多跨管道涡激振动试验研究的不足,综合考虑流-固-土多场耦合,创造性地设计了一套完整的拖曳水池试验系统,并开展了多跨管道涡激振动试验观测。该试验系统可实现海底管道结构自身属性、土体作用、来流速度和预张力等因素对多跨管道涡激振动影响的数据获取,可为后续多跨管道涡激振动的理论研究和数值模拟提供数据参考和验证。研究结果表明：该系统可精准模拟多跨管道复杂的涡激振动现象。该研究可为多跨管道跨间作用机理的试验研究提供新思路,同时为系统地研究多跨管道涡激振动提供试验装备支持。     

中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动研究

为了探讨中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,首先建立了中低速磁浮列车-桥梁/低置梁系统竖向耦合振动模型,以某试验线20 m简支梁现场动载试验为依据,验证此方法的可靠性。随后,根据所建立的中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动模型进行动力仿真分析,并探讨了不同参数对低置梁竖向动力响应的影响。结果表明:低置梁自振频率较高,一阶竖弯达32.9 Hz;低置梁框架跨中竖向动位移及加速度均较底板中心大,框架振动属于高频振动（相对于底板振动）,在50 Hz~100 Hz加速度显著大于底板中心;磁浮列车荷载加载频率较高,该加载频率（整数倍）易与低置梁自振频率重合或接近而产生共振效应,显著放大低置梁动力响应;随着支撑脱空长度的增大,低置梁动力响应显著增大,且增速加大,随着路基刚度和底板厚度的增大,低置梁动力响应减小,且减小的幅度变小。     

基于离散点涡的双自由度涡激振动尾流振子模型研究

建立了一种新的预报双自由度圆柱涡激振动响应的尾流振子模型,提出了以近壁点涡强度为变量描述尾流振子方程.通过势流理论推导出了结构所受流体流向和横向水动力与点涡强度的量化关系,从而得到了结构振子和流体振子的耦合方程组.使用该模型对圆柱的双自由度涡激振动问题进行了数值计算,得到了结构流向和横向的响应振幅及频率的变化规律.通过与实验结果进行对比,表明模型预测的涡激共振区、锁定频率和“8”字形运动轨迹等结果与实验观测结果基本一致.     

影响从涡激振动中获取能量的参数研究

涡激振动是一种常见的流固耦合现象,当结构物振幅较大时,可利用涡激振动从海洋流中或河流中获取能量。论文通过流固充分耦合数值方法,对二维弹性支撑圆柱体在均匀流中的横向涡激振动进行了模拟。用该数值方法对4种方案进行计算,分析质量比m*、阻尼比ζ、质量阻尼比m*ζ和固有频率fn对圆柱体从涡激振动中获取能量效率η的影响。结果发现m*、ζ、m*ζ和fn都会影响η,且存在一个最优的m*ζ值,使能量获取效率η最大。对基于这一想法的振动系统的设计,论文结论可作为参考。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

大型拦污栅结构液固耦合流激振动分析

以巴基斯坦真纳电站进水口拦污栅结构为对象,研究大型拦污栅结构流激振动及其影响因素。建立了拦污栅结构数值分析模型,以液固单元接触分析处理了液固耦合作用,分析了栅条作用、液固耦合、支撑约束及结构边界条件等因素对大型拦污栅结构动力特性的影响,给出了大型拦污栅避免栅体涡栅共振及栅条流激共振评判条件。结果表明:栅条作用与液固耦合对大型拦污栅结构动力特性的影响不容忽视,结构加固可能降低其动力安全性,而支撑约束及结构边界条件对拦污栅结构振动影响很小。该成果为该型拦污栅流激共振评判提供新依据,为相关技术标准修订提供参考。     

采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析

建立了柔性杆件在非均匀流作用下的涡激振动响应预测模型,考虑了涡激振动锁频阶段流体附加质量的变化,以及振动响应和来流简缩速度的非线性关系。该模型通过经验公式结合迭代求解的方式,计算方便、速度快,避免了数值计算(CFD)的繁琐,较为适合于海洋工程实际应用。与试验和数值结果的比较表明采用该文提出的计算模型,可以更合理、准确地给出结构涡激振动响应。最后,结合实际平台参数,进行了柔性立管在非均匀流场的作用下的涡激振动响应分析,并研究了立管的预张力、流场分布等参数的影响。分析结果表明:随着立管张力和流场分布的改变,各阶模态锁频区域发生了变化,从而改变了结构的总体响应     

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动的影响

基于CFD数值模拟研究了不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算了刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力,计算了上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析了流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响,分析了尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将大大增加尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;而边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强的作用,并造成两圆柱体的涡激升力之间产生了相位差,最大相位差为180°。     

不同入射角下圆柱涡激振动的数值研究

采用二维非定常雷诺平均N-S方程和剪应力运输k-ω模型,结合四阶龙格-库塔法,选取4种不同入射角(α)对二自由度圆柱涡激振动响应影响进行数值研究。比较了不同来流角度下圆柱涡激振动幅值、结构振动频率、锁定区间、漩涡脱落模式、斯特劳哈尔数、水动力系数和捕能效率的影响。数值结果表明,来流角度变化会使圆柱涡激振动响应产生多频率特性,且随着来流角度的增加y方向振幅逐渐减小,x方向振幅逐渐增大。不同来流角度下涡激振动响应均产生明显的锁定现象,锁定区间宽度随来流角度的变化不明显。但随着来流角度的增加,y方向力系数均方根与x方向力系数均值均有下降的趋势。     

外置纵向排水管对扁平钢箱梁涡振性能的影响及气动控制措施研究

为研究外置纵向排水管对扁平箱梁涡振性能的影响,以某大跨度扁平钢箱梁悬索桥为工程背景,采用1∶50节段模型风洞试验,分别对有无外置纵向排水管的扁平箱梁涡振性能进行研究。试验结果表明：原设计扁平箱梁在0°与±3°风攻角下均发生显著涡激振动,通过在检修车轨道处设置内侧导流以及将外侧防撞栏杆隔二封一可以有效抑制断面涡振振幅至规范限值以下,但沿桥纵向设置外置排水管会显著降低主梁涡振性能,并使原有效涡振制振措施失效。通过计算流体动力学对主梁断面二维流场的模拟结果表明,外置纵向排水管会同时改变扁平箱梁断面下表面迎风侧与背风侧斜腹板处的旋涡脱落形态,在此基础上,通过在外置纵向排水管处增设导流板与水平稳定板用以改善该处的气体绕流形态,并据此提出了一种水平稳定板、导流板与间隔封闭栏杆共同作用的组合气动措施。试验结果表明,该组合措施能够显著抑制主梁的涡激振动,同时数值模拟结果表明,能够显著减弱斜腹板处的旋涡脱落现象,从而降低主梁受到的周期性涡激力,是该组合气动措施能够抑制梁体涡激振动的主要原因。     

计及附加质量系数变化效应的立管涡激振动时域响应研究

针对海洋立管涡激振动问题提出了一套时域预报数值方法,引入附加质量单元,能够计及附加质量系数变化效应对立管模态分析及涡激振动预报的影响。基于上述方法对均匀流工况以及线性剪切流工况下立管模型的涡激振动响应进行分析,并与相应试验结果的均方根位移及曲率、应变及位移响应时历曲线以及响应幅值谱进行了对比。结果表明,本文模型能够有效预报海洋立管涡激振动响应,且与传统数值模型相比,本文模型预报结果与试验数据更为吻合,可以较好地体现附加质量系数变化效应对涡激振动预报较为明显的影响。