波浪型斜拉索涡致耦合振动与流动控制机理研究

随着斜拉桥跨度的增大，拉索的风致振动问题已经成为世界桥梁抗风研究领域的重点研究课题，针对目前斜拉索由风雨载荷引起的振动所遇到的问题，我们提出了一种新型的可抗风减振的三维波浪型斜拉索结构，深入系统的研究了该三维波浪型斜拉索（群）涡致耦合振动动力学问题并详细的探索了其流动控制机理。首先，我们建立了适应于预测波浪型斜拉索结构的涡致耦合振动响应特性的新三维数值计算模型，并实验验证了计算模型的正确性。在此基础上，针对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应及频率“锁定”现象、三维波浪型斜拉索群的气动干扰效应及其尾流驰振现象以及三维波浪型斜拉索结构风雨激振等方面展开了数值及实验研究。研究结果表明：① 可通过适当波长波幅的三维波浪型斜拉索改变或抑制拉索涡致振动时“锁定”或“拍频”现象，控制流动分离以实现降低风阻、减振或抑振目的。三维波浪型斜拉索涡致振动响应与拉索三维表面形状具有强烈的相关性，研究首次发现三维表面形状波幅参数a/Dm是抑制涡致耦合振动有效的控制参数，振动时其流动模态完全不同于静止绕流。我们明确了不同Re下波长波幅对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应影响规律；② 某些波长波幅形状的波浪型斜拉索群，下游波浪型斜拉索振动振幅远远小于同工况下的串列直拉索下游振动振幅，其尾流驰振现象被明显抑制了。我们探明了三维波浪型斜拉索群尾流驰振抑制物理机制，波浪型拉索表面三维形状，间距比，Re等对串列双波浪型斜拉索涡致耦合振动响应产生耦合的影响，一方面上游斜拉索发展了十分稳定的后尾迹，对下游拉索起完全屏蔽作用（间距比小于10时），另一方面随着拉索表面三维形状波幅a/Dm的增加，其流体三维特性逐渐增强，对抑制拉索群的尾流驰振带来了十分有益的影响；③ 拉索的三维波浪形状对水线的形成及其运动特征具有明显的影响，选择适当的波长波幅形状能破坏上水线的形成，可有效的抑制拉索的风雨激振。 2100433B

现代桥梁结构越来越往长、细、轻、柔与低阻尼方向发展，斜拉索在风雨载荷作用下的多相耦合效应日益突出。探索斜拉索涡致耦合振动机理及寻求有效的振动控制措施正受到极大的关注。本项目针对目前改变斜拉索表面形状来抑制斜拉索由风雨载荷引起的振动所遇到的瓶颈与难点，提出采用波浪型改形表面进行流动控制以获得抗风减振的方法，将系统的研究： 1）不同波幅波长参数对波浪型斜拉索涡致耦合振动及频率锁定现象的影响规律；2）不同排列波浪型斜拉索群的气动干扰效应及其对振动响应的影响；3）特定波幅波长参数下波浪型斜拉索的风雨激振抑制机理。我们将建立波浪型大跨度斜拉索在非均匀来流下的涡激耦合振动响应模型，数值和实验研究波浪型斜拉索涡致耦合动力问题并揭示其流动控制机理，为大跨度斜拉索的失效模式和安全评估准则的研究及灾害防治对策的制定提供相应的理论基础和技术支持。

在许多工程领域如海洋工程及风工程领域，都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱尾涡和抑制涡激振动，在圆柱上或周围附加抑制装置的被动控制方法是研究的热点。但传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出附加柔性结构探讨流动与涡激振动控制的机理，开展了利用流行的圆柱控制装置以及自主的仿鱼尾和组合式飘带类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究。主要研究内容包括：建立了若干类刚性及柔性模型（螺旋、整流罩、分离盘、仿鱼尾、绒毛、飘布、飘带等）关键性参数，设计并制作了各种传统模型以及柔性结构新模型；一方面利用自我发展的高分辨率数值模拟求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）对固定圆柱附加抑制装置的尾涡控制进行数值模拟，对自由振动圆柱附加抑制装置的涡激振动控制进行数值模拟；另一方面，分别设计了大和小质量阻尼系数的风洞实验模型，研究了固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计了典型水槽实验模型，研究了圆柱附加典型装置控制涡激振动的机理。通过深入研究，获得了抑制圆管尾流和涡激振动的基础材料、基本结构与几何参数，获得了最佳抑制装置，如短尾型整流罩、短的柔性分离盘、最佳角度和尾长的仿鱼尾结构、柔性布、绒毛等结构；深刻揭示了圆管尾流和涡激振动控制中的尾涡结构、流体力系数、频率变化、流激振动、驰振等机理; 首次数值复现了近期实验中发现的驰振现象，首次风洞发现了柔性结构的驰振现象。有些结构，特别是长尾结构无论是刚性还是柔性结构都可能引起比传统VIV更不利的驰振现象，相对来说，仿鱼尾结构基本上都能减弱涡激振动且不易产生驰振。本研究为尾涡及涡激振动控制提供了新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供了理论指导和技术支撑，特别是发现驰振反而带来更大的安全隐患，也从新的角度为未来相关工程尤其是深水立管或隔水管涡激振动抑制的研究与实际应用提出了新的课题。本研究共发表学术论文22篇，其中SCI高水平论文7篇。 2100433B

在许多工程领域都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱体尾涡和抑制涡激振动。传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出自主的仿鱼尾和组合式飘带两类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动。主要研究内容包括：建立模型关键性参数，设计并制作各种柔性结构新模型；利用自我发展的高精度数值模拟方法对固定圆柱下尾涡控制进行数值模拟；设计风洞实验模型、实验研究固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计典型水洞实验模型、实验研究振动状态下圆柱尾涡及涡激振动控制机理；深入分析计算和实验中的机理，探索高效的新型结构及其关键性参数的适应范围，为尾涡及涡激振动控制提供新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供理论指导和技术支撑，其成果在许多领域具有广阔的应用前景。

主要的研究方法有三种：

实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

数值方法

振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等

半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流体力组分模型。

流固耦合数值计算软件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)