大跨度桥梁涡激振动的流场驱动特性

Vortex-induced vibration occurs at the low wind speed, but with high frequency, during the various wind-induced vibration of bridges. It has great influence on structure safety and behavior in service. To make the mechanism of vortex-induced vibration of bridges clear,it must deeply understand the wind-structure interaction. .Form the vortex-shedding excitation，computational fluid dynamics (CFD) methods, the technology of particle image velocimetry (PIV) and wind-tunnel tests of sectional model are adopted to study the fluid dynamic characteristics and the law of vortex evolution,trying to figure out the relation between the self-excitation and self-limited phenomena of vortex-induced vibration and the transition procedure of vortex shedding modal.The effect of vortex flowing and shedding on the spatial and temporal distribution rules of press on the model surface different regions is presented.To reveal the fluid driving action for the vortex-induced vibration's self-limited mechanism,the relation between the unsteady evolution characteristic of vortex and nonlinear aerodynamic force is discussed.The mechanism of fluid-structure interaction is researched and a model of coupling structure and flow oscillator in vortex-induced vibration is established based on the principle of the force interaction. The coupled equation is solved by use of step by step analysis, and the vortex-induced force model is modified. These studies provide the necessary theoretical support for construction safety and economy of sea-crossing bridges in our country.

涡激共振在桥梁的各种风致振动中发生的风速低、频率高,对结构的安全性和使用性造成很大的影响。要澄清桥梁涡激振动的发生机理就必须深入理解风与结构的相互作用。.本项目采用CFD数值分析，同PIV流场显示和节段模型试验相结合的方法，从根本性的涡脱激励入手，研究引起涡激振动的流体动力特征和旋涡脱落规律，探索桥梁典型断面涡激振动响应的自激励自限制特性与旋涡脱落形态演化之间的联系。通过分块分析，深入研究旋涡的移动和脱落对断面不同区域压力时空分布特性的影响，阐述旋涡非定常演化规律与非线性气动力之间的关系，揭示涡激振动实现自限制机制的流场驱动作用。基于力的相互作用原理，探讨结构与流体相互作用机制，建立涡激共振的结构-流体振子耦合模型，应用分步分析方法对耦合方程进行解耦，实现对现有涡激力模型的改进，为我国跨海大桥建设的安全性和经济性提供必要的理论支撑。

本项目针对桥梁的涡激共振问题，综合应用CFD数值分析、PIV流场显示和节段模型试验相结合的方法，研究了平板、箱梁和H型断面这三种断面形式在涡振过程中的流场驱动特性。首先比较分析了伽利略分解、雷诺分解、小涡分解和POD分解对流场中旋涡的辨别能力，确定了适合于桥梁断面的流场旋涡识别方法。结合PIV流场测试技术和CFD数值模拟分析了上述三种典型断面静止状态下的绕流特征，比较了不同湍流计算模式对断面流场的模拟能力。应用动网格方法研究了箱梁断面强迫振动状态下，振幅和频率对模型表面气动力的影响。结合相位平均和流场的POD分解以及分块分析思路，研究了三种断面涡振程中的旋涡形态的变化规律和压力场的时空分布特点。平板断面由于具有较好的流线型，在试验过程中无涡振现象发生。箱梁尾部风嘴的上下侧交替出现的旋涡是其涡振发生的主要因素。 H型断面的涡振与模型表面大型涡的产生和消亡过程密切相关。在桥梁涡振发生前后，模型表面压力分布特性也会随之发生变化，箱梁的主控压力分布在模型的迎风侧风嘴附近的区域，但H型断面的表面压力波动较大，无明显的压力控制区域。基于力的相互作用原理，建立了涡激力模型，详细推导了方程的求解过程，并以矩形断面为例，比较了该力学模型的计算结果与风洞试验之间的差别，结果显示二者吻合较好。本项研究为从细观层面上研究桥梁涡振的发生机制奠定了基础，为寻找合适的桥梁涡振控制方法提供了支撑。