压力积分法在桥梁断面雷诺数效应研究中的应用

表面压力积分方法不仅可以得到气动力均值,更重要的是可获得气动力的时程,从而可以计算气动力的RMS值和频率。通过该方法得到了刚性支撑断面的斯特罗哈数,并在试验雷诺数为2.7×104~1.4×106范围内研究了斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究中发现扁平桥梁断面的斯特罗哈数有明显的雷诺数效应,而雷诺数为2×105~4×105区域内这一效应尤为明显。     

不同圆角率的方形断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究

通过刚性模型测压风洞试验在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率为0.1、0.2、0.3和0.4的方形断面在不同风向角下、雷诺数Re=0.8×105～3.6×105范围内的表面风压。在获得气动力系数时程的基础上,通过分析升力系数功率谱在试验雷诺数范围内的变化,讨论了圆角率和风向角对斯特罗哈数雷诺数效应的影响规律。结果表明：在试验雷诺数范围内,各风向角下标准方形断面与圆角率为0.1的方形断面斯特罗哈数均基本不受雷诺数的影响;圆角率为0.2、0.3和0.4的方形断面斯特罗哈数分别在0°～2.5°、0°～7.5°和0°～12.5°的小风向角时对雷诺数比较敏感,出现了大幅突升现象,圆角率越大,对雷诺数敏感的风向角范围越大。     

桥梁断面表面压力分布及Strouhal数的雷诺数效应

为了研究桥梁断面Strouhal数的雷诺数效应,通过调节试验风速来改变雷诺数,并在模型表面布置测压点,进行风洞试验.测量了不同雷诺数下各测点的风压时程,分析了压力梯度及压力系数功率谱及涡脱频率的随雷诺数变化规律,研究了Strouhal数的雷诺数效应.研究发现桥梁断面的压力梯度及压力系数功率谱具有明显的雷诺数效应,高雷诺数下,通过风压频谱寻找涡脱频率的方法不可行.研究表明,桥梁断面的Strouhal数具有较为明显的雷诺数效应.     

流线型桥梁断面表面脉动风荷载特性研究

气动力是大跨度桥梁抗风稳定性检算和振动分析的基础,流线型桥梁断面的气动力随雷诺数的变化问题是风工程研究和桥梁设计关注的问题。通过风洞试验,研究表面风压分布随雷诺数的变化规律,可以分析雷诺数效应发生的机理。通过刚性节段模型测压试验,获得了模型表面风压分布随雷诺数的变化,采用基于功率谱密度矩阵的特征正交分解方法,从频域上分析了结构表面的脉动压力场,解析了流线型桥梁断面表面脉动风荷载的主要分布形式和作用频率,分析了雷诺数变化对结构表面脉动压力场的影响。研究发现:流线型桥梁断面表面脉动风荷载的作用形式会随雷诺数的改变而改变,在特定位置流动分离和再附等现象会随雷诺数发生变化,从而影响整体的气动力和漩涡脱落规律。     

不同粗糙度斜拉索气动力特性和风荷载计算方法研究

大跨径斜拉桥斜拉索上的风荷载对主梁的位移和内力的贡献占全桥的主要部分,准确掌握斜拉索上的风荷载,对于桥梁的抗风设计具有重要的意义。通过风洞试验,得到了8种具有不同表面粗糙度斜拉索的气动力系数随雷诺数的变化规律,研究了粗糙度对斜拉索雷诺数效应和气动力特性的影响,以实桥为例分析了斜拉索最大风荷载的计算方法。结果表明:斜拉索表面的粗糙度对气动力具有明显的影响,随着粗糙度的增大,雷诺数效应随之减弱;不同粗糙度的斜拉索,最大风荷载对应的风速不同,计算方法也不同,实桥设计时应根据斜拉索的具体表面粗糙状态确定其最大风荷载的数值。     

缆索承重桥并列索平均气动性能的雷诺数效应

近距离并列吊索和并列斜拉索在大跨度缆索承重桥中有广泛的应用,但目前在计算并列索静力风荷载时只考虑顺风向阻力的影响,没有考虑因尾流干扰所产生的横风向升力的作用。通过风洞试验,在雷诺数Re= 0.9×105~4.6×105（涉及亚临界雷诺数区和临界雷诺数区）研究了多种不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明:并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应,临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变,这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关;受上游圆柱的尾流干扰,在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上,远大于下游圆柱的平均阻力系数,因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。     

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛，对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能，然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应，减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差，对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验，试验雷诺数范围为0.8×10⁵～3.6×10⁵。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律，并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明：不同于标准矩形断面，5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应，这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱，当圆角率为0.2时最强，其在雷诺数为2.8×10⁵时发生了明显跳跃；不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比，圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显，其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右...     

流线闭口箱梁涡振气动力的雷诺数效应研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的自限幅风致振动现象。针对典型流线闭口箱梁断面,分别进行了1∶70和1∶20主梁节段模型同步测振、测压风洞试验,对应以梁高为特征尺寸雷诺数范围分别为6.08×10~3～2.28×10~4和1.06×10~4～1.40×10~5,研究了雷诺数效应对箱梁涡振响应及表面气动力时频特性的影响。+3°初始攻角下,主梁断面存在明显涡振现象。与小比尺模型相比,大比尺模型竖向涡振发生风速低,振幅大,且出现了小比尺模型未观测到的扭转涡振现象。分别选取典型风速结点,进行表面气动力时频特性分析表明:不同雷诺数条件下,表面平均风压系数、压力系数根方差及分布气动力与涡激力相位差空间分布均有所不同,表现出显著的雷诺数效应;高雷诺数时,上表面下游、中上游和下表面区域气动力对涡激力贡献较大,其中上表面下游区域气动力对涡激力起增强作用,其它区域气动力对涡激力起抑制作用;低雷诺数时,上表面中上游区域气动力对涡激力几乎无贡献,上表面下游区域气动力对涡激力的贡献与高雷诺数时相近,下表面区域和迎风面斜腹板区域气动力对涡激力抑制作用远小于高雷诺数时。特别是下表面与下游风嘴转角附近区域气动力对涡激力抑制作用远大于高雷诺数时,可推断这正是低雷诺数时涡振幅值远小于高雷诺数时的主要原因。     

准流线型桥梁断面气动力特性的雷诺数效应研究

雷诺数效应是桥梁抗风设计研究的关键问题,随着桥梁跨度的增加,桥梁断面雷诺数效应的研究日显重要。选取两个常用的大跨度桥梁准流线型桥梁断面为研究对象,通过风洞试验测得模型表面风压分布,采用压力积分方式获得断面在不同雷诺数下的三分力系数,并分析其变化规律。结果表明:桥梁断面局部细微差异并不能改变三分力系数随雷诺数的变化规律;从模型不同位置处的平均风压系数来看,前缘尖角的下游位置表现出较明显的雷诺数效应,这可能是前缘分离流再附所致;将不同流线型桥梁断面表面风压的无量纲空间分布进行对比,发现不同形状的尖锐棱角仅影响棱角附近平均风压系数极值大小。     

圆角处理的断面宽厚比为2∶1的二维矩形柱体气动力系数的雷诺数效应研究

在低湍流度的均匀流场中,测量了4种圆角率(R/D=0%、5%、10%和15%)的断面宽厚比为2∶1的二维矩形柱体模型在雷诺数1.1?105≤Re≤6.8?105范围内的表面风压时程,通过对模型表面风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程,分析了四个模型的气动力系数的雷诺数效应以及雷诺数对各模型的气动力系数功率谱的影响。结果表明,随着圆角率的增大,模型的平均阻力系数减小,且平均阻力系数对雷诺数越来越敏感。所有模型的均方根阻力系数和均方根升力系数都呈现明显的雷诺数效应,且模型的圆角率越大,其均方根阻力系数和均方根升力系数对雷诺数越敏感。圆角率为0%和5%模型的脉动阻力系数功率谱和脉动升力系数功率谱基本不随雷诺数而改变,但圆角率为10%和15%模型的脉动阻力系数功率谱和脉动升力系数功率谱呈现明显的雷诺数效应。此外,圆角率对断面宽厚比为2∶1的二维矩形断面模型的Strouhal数也有明显的影响。     

斜置拉索表面脉动风力特性研究

采用一套可调节拉索模型倾角和风向角的试验装置,通过同步测压风洞试验,测得了三维拉索（考虑了拉索的倾角和风向角）表面的脉动风压分布。风洞试验考虑了风向角和Re数的影响,试验风向角为0～45°,试验 Re数为1.17×105 和2.34×105,两种Re数分别处在亚临界区和临界区内。通过进一步的分析,得到了两种Re数下风压功率谱、脉动风力和风力功率谱随风向角的变化情况。研究表明：随着风向角的增大,斜拉索的Strouhal数逐渐减小;当Re数进入临界区后,拉索的脉动风压分布和脉动风力将发生很大变化     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下（Re=1.4×105）,研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。     

风洞模型棱角制作误差对扁平箱梁气动力和涡脱特性的影响

桥梁节段模型试验研究的顾虑之一,是制作扁平箱梁节段模型时各个棱角制作误差,比如棱角圆化对其气动力和涡脱特性的影响,但至今未见相关报道。该研究采用雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对大带东桥主跨扁平钢箱梁开展了计算流体动力学模拟(CFD)。在节段模型制作误差可能导致的棱角圆化半径范围内,对比了加劲梁绕流形态、平均气动力系数和漩涡脱落S t数。研究表明:扁平箱梁棱角小半径圆化时半径的增大使得局部流动的分离强度减小,但分离点位置不再固定;模型棱角圆化对扁平箱梁平均气动力和漩涡脱落S t数的影响可忽略不计;前缘棱角圆化后加劲梁气动特性的Re效应不明显。研究认为,可不考虑加劲梁风洞试验模型棱角小半径圆化对主梁气动特性的影响,因而CFD模拟时加劲梁风嘴前缘棱角可作小半径圆化处理,以降低网格数量、提高网格质量和减小CFD的计算量。     

不同雷诺数下方柱绕流的数值模拟

在不同雷诺数条件下,对流体绕经方形柱体的流动进行了数值模拟,计算雷诺数分别为100,1×103,1×104和2.2×104.当Re=100时,直接采用N-S方程进行计算;当Re=1×103,1×104和2.2×104时,则引入k-ε湍流模型进行计算.应用Galerkin有限元法对控制方程进行离散和求解,利用分离时间步长法处理控制方程中的非线性项.模拟计算得出了在不同雷诺数下的卡门涡街脱落形态.方柱后尾涡的形态会随雷诺数的变化而产生一定的变化.当雷诺数较低时,尾涡会拖得比较长,随着雷诺数的增加,尾涡长度会随之缩短.计算得到了方柱的受力系数和Strouhal数.将计算结果与文献上的实验和计算结果进行了比较,两者吻合较好.     

高Re数圆柱绕流二维数值模拟的适用性分析

采用雷诺时均N-S方程(RANS)和SST 湍流模型,对外径0.12m的圆柱开展了二维数值模拟,计算的Re数范围为1.2×105 ~ 3.7×105。为保证计算结果的合理性,采用了一种新的计算域外形和网格分区,保证了在圆柱周围和尾迹的大范围内形成高质量的正交四边形单元。基于获得的不同网格尺度和时间步大小的圆柱气动力系数时程、平均值和均方根值,以及漩涡脱落的Strouhal (St)数,开展了网格尺度和时间步长无关性检查,确定了合理的数值模拟参数。然后计算了不同Re数下圆柱的阻力系数平均值和St数。通过与相关文献的研究结果对比,本文认为采用二维RANS模型难以合理预测圆柱的气动力和涡脱特性。     

串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×10⁴。试验结果发现:串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。     

超临界Re数下拉索顺风向自激力特性研究

为获得极端风速下拉索顺风向振动自激力特性,推导了拉索与顺风向阻尼相关的颤振导数准定常解析值。为保证数值模拟的质量,基于固定拉索CFD计算的网格尺度无关性检查,确定了振动拉索数值模拟的合理参数和气动力系数。开展了Re=5.18×10₅折算风速从53~1050范围内拉索顺风向强迫振动数值模拟和拉索颤振导数P_*1识别,研究结果与准定常解析值的良好一致性,说明了本文方法的合理性,表明能采用准定常解析值来确定拉索超高折算风速下的颤振导数P*₁。研究同时表明,在超高折算风速和拉索横风向振动情况下,拉索涡脱力显著主导气动力,拉索振动不改变拉索的漩涡脱落频率,因此拉索自激气动力可忽略,风荷载只需考虑涡脱力。     

不同圆角率的方形断面气动特性的雷诺数效应

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率分别为0.1,0.2,0.3和0.4时的方形断面在雷诺数Re=0.8×10^5~3.8×10^5内的气动特性。结果表明:在试验雷诺数范围内,标准方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数基本不受雷诺数的影响,但脉动升力系数受雷诺数的影响比较明显;圆角率为0.1的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数随雷诺数有一定变化,脉动升力系数随雷诺数的变化明显;圆角率为0.2,0.3和0.4的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数对雷诺数非常敏感,其在临界雷诺数附近均产生了明显的跳跃现象,但脉动升力系数受雷诺数的影响相对不大。