斜拉索風(fēng)雨激振數(shù)值模擬與機(jī)理研究.pdf

1、風(fēng)雨激振是指斜拉橋拉索在特定風(fēng)雨條件下的低頻、大幅度振動,會使斜拉索發(fā)生疲勞破壞,降低斜拉索的使用壽命。由于這一現(xiàn)象涉及氣、液、固三相耦合問題,其產(chǎn)生機(jī)理至今尚未明確,對此本文應(yīng)用將滑移理論與CFD技術(shù)相結(jié)合建立理論模型及基于VOF法建立有限元模型的方法分別模擬斜拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象,深入系統(tǒng)的研究斜拉索表面水線振蕩與斜拉索氣動力及其振動之間的相互作用,揭示其產(chǎn)生機(jī)理,主要研究內(nèi)容包括:
　　考慮水膜形態(tài)變化對風(fēng)壓力和風(fēng)摩擦力的影響

2、,將滑移理論與CFD技術(shù)相結(jié)合提出了斜拉索風(fēng)雨激振問題的理論模型,基于滑移理論和單質(zhì)點(diǎn)單自由度振動理論建立了耦合的水膜運(yùn)動方程和斜拉索振動方程。
　　忽略斜拉索振動對水膜形態(tài)變化的影響,應(yīng)用已建立的理論模型研究不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下的斜拉索表面水膜形態(tài)和氣動力變化規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)氣流方向與斜拉索下傾方向一致,且風(fēng)速處于斜拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的風(fēng)速范圍內(nèi)時(shí),水膜形態(tài)變化及其引起的斜拉索氣動力變化均呈現(xiàn)出明顯的周期性,二者頻率均

3、接近斜拉索的自振頻率,說明水線與斜拉索之間的共振是引發(fā)風(fēng)雨激振現(xiàn)象的主要因素。
　　考慮斜拉索振動對水膜形態(tài)變化的影響,應(yīng)用已建立的理論模型進(jìn)行斜拉索表面水膜形態(tài)變化與斜拉索振動間的雙向耦合研究,分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速處于斜拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的風(fēng)速范圍內(nèi)時(shí),斜拉索表面會形成明顯的上水線和下水線,同時(shí)斜拉索發(fā)生大幅度振動,振動主頻接近斜拉索的自振頻率,水膜形態(tài)變化及其引起的斜拉索升力變化具有相似的周期性,主頻均有斜拉索的自振頻率相近;進(jìn)一步說

4、明水線與斜拉索之間的共振是引發(fā)風(fēng)雨激振現(xiàn)象的主要因素。
　　將氣液兩相流理論與VOF法相結(jié)合,提出了模擬風(fēng)雨共同作用下斜拉索表面水線的形成的新方法;應(yīng)用這一方法對不同風(fēng)速條件下受重力和氣流共同作用時(shí)的水線初始形成時(shí)間、位置和形態(tài)進(jìn)行了深入研究;在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用點(diǎn)源補(bǔ)水的方式實(shí)現(xiàn)斜拉索表面水膜的連續(xù)和質(zhì)量守恒,模擬風(fēng)雨作用下斜拉索表面水線的形成與振蕩,得到斜拉索表面水線運(yùn)動規(guī)律和斜拉索氣動力,并通過將氣動升力施加到單質(zhì)點(diǎn)單自由度模型