大跨径渡槽涡振诱发的水体参数晃动研究

The strong periodic vortex sheddings are produced by the wind on the long-span aqueduct bridge. Because the aqueduct holds a great quantity of water, the vertical fundamental frequency of the aqueduct structure easily coincides with the frequency of vortex-shedding and then the vortex-induced vibration will occur.The vortex-induced vibration may easily stimulate the parametrical slosh of the contained water. The large-amplitude slosh of water will aggravate structural vibration, which will bring a potential danger to the aqueduct structure. The parametrical slosh of the contained water excited by the vortex-induced vibration shows a special physical mechanism of the aqueduct bridge. This mechanism has not been investigated by the researchers. In this project, a semi-analytical/numerical method will be developed to determine the precipitating factors of the parametrical slosh, in which the water damping is included. The method will be validated through a parametric vibration test. The method of Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) will be improved and applied to analyze the nonlinear parametric slosh of the contained water. The new Immersed Finite Element Method (IFEM) and SPH method will be used for solving two dimensional parametric slosh responses of the "wind-aqueduct body-water"coupling system which is excited by vortex-induced vibration. The phenomenon of "Frequency Lock"of the system will be investigated in detail. The wind-tunnel experiment of an elastically-hanged segment model of aqueduct body will be conducted to verify the numerical simulation results. The studies of this project will reveal the physical mechanism of the parametric slosh of water stimulated by the vortex-induced vibration.

大跨径渡槽在风的作用下会产生强烈的周期性旋涡脱落，由于渡槽携带大量水体，槽身结构竖向自振频率容易与旋涡脱落频率重合而发生涡振，槽身的涡振容易诱发槽内水体的参数晃动，使得水体产生大幅晃动，加剧渡槽结构的振动，对渡槽结构安全构成潜在威胁，这种涡振所诱发的水体参数晃动是渡槽系统特有的一种物理机制，针对这种机制的研究还是一个空白。本项目将建立一种新的半解析/半数值方法，确定任意截面水槽参数晃动（包含阻尼的影响）的发生条件，并采用参数振动试验加以验证；将采用并完善光滑粒子流体动力学（SPH）方法，分析槽内流体的非线性参数晃动问题；将IFEM（Immersed Finite Element Method）及SPH方法用于研究二维"风-槽身结构-槽内水体"耦合系统涡激参数晃动响应与"频率锁定"现象，并采用弹性悬挂渡槽节段模型风洞试验加以验证，本项目的研究拟揭示渡槽涡振诱发的水体参数晃动机制。

大跨径渡槽在风作用下会产生强烈的周期性旋涡脱落，由于渡槽携带大量水体，槽身结构竖向自振频率容易与旋涡脱落频率重合而发生涡振，槽身的涡振容易诱发槽内水体的参数晃动，使得水体产生大幅晃动，影响渡槽的安全运行，这种涡振所诱发的水体参数晃动是渡槽系统特有的一种物理机制，本项目的目的是为了揭示这种物理机制。本项目采用CFD方法模拟了圆形、矩形和U形截面的Strouhal数，数值结果与（已有）试验结果吻合良好；基于流-固耦合分析，首次得到了斜拉与悬索渡槽特有的耦合动力特性；推导了任意截面水槽内流体参数晃动的运动方程；提出了求解任意截面内液体晃动自然频率近似解的一个新的解析方法; 提出了二维晃动模态分析的统一Ritz计算方法，可以分析任意二维截面水槽内液体晃动的频率与振型；首次采用参数激振的方法得到了矩形、圆形及U形水槽内液体的模态频率及阻尼比系数，所得试验值与理论值吻合良好；分析得到了矩形、圆形与U形水槽内流体参数晃动的不稳定边界（区域），理论边界与实验结果非常吻合；首次提出了参数晃动能量增长指数（EGE）与能量增长系数（EGC）的概念，将参数晃动EGE与EGC推广到一般的参数激振系统的分析中，基于EGE给出了一般参数振动的稳定性判别准则，给出了EGE与EGC的解析表达式，导出了EGE与Floquet指数与Lyapunov指数之间的关系，将EGE与EGC的解析公式成功应用于几种参数振动系统的稳定性以及不稳定模式的竞争分析，得到的理论结果与实验结果非常吻合，首次给出了彩色不稳定图，为参数共振问题提供了一个新的视角与分析手段；采用多模态解析方法与多种数值方法模拟了槽内流体的二维大幅参数晃动；采用试验方法研究了矩形、圆形与U形水槽内流体非线性参数晃动特性，包括非线性幅-频特性、“跳跃”现象等，实验中发现了一个新的参数晃动二次不稳定现象；采用有限体积法成功模拟了大幅非线性参数晃动，模拟的结果与实验结果非常吻合；采用弹性悬挂渡槽节段模型在风洞实验室中首次发现了涡振诱发的水体参数晃动现象，验证了理论预测的二种参数晃动（共振），一种为一般的自参数共振，另一种为自参数内共振，测量了涡激参数晃动发生后“风—槽身结构—槽内水体”相互作用下的槽体结构与液体的时程响应，研究结构体系涡振振幅、频率“锁定”等现象；采用多模态方法模拟槽内流体，采用涡方法模拟槽身与风的相互作用，研究参数共振下体系的时程响应。