大跨度桥梁斜拉索风致振动边界层仿生控制研究结题摘要

随着现代桥梁跨度的不断增大，斜拉索变得越来越柔，其阻尼也不断降低，极易发生风致振动。本项目开展基于仿生的行波壁主动流动控制方法的研究，对拉索风致振动进行控制，并研究该方法的控制机理。具体研究成果如下： 第一，本项目通过采用智能材料/MEMS技术来集成行波壁仿生控制系统，选取了两种智能材料驱动器：一种是压电陶瓷驱动器，一种是离子聚合物金属复合材料IPMC驱动器；并且对压电陶瓷驱动器集成的行波壁仿生系统进行了流动控制的风洞试验，研究了该系统的流动控制效果。同时对制备好的IPMC驱动器的驱动位移进行了测试，结果表明IPMC驱动器较压电陶瓷驱动器的驱动位移大10倍左右，并且所需电压幅值比压电陶瓷驱动器低很多。同样还利用多个IPMC驱动器集成了行波壁仿生控制系统。 第二，采用CFD数值模拟方法完成了圆柱绕流-涡激振动-行波壁流动控制全过程的数值模拟，重点研究了行波壁流动控制方法对低雷诺数下两自由度弹性支撑单圆柱涡激振动的抑制作用。详细分析了各阶段的圆柱横向和流向位移、质心运动轨迹、升力和阻力系数等随频率比的变化。结果表明：行波壁圆柱的波谷处可以产生一系列稳定的随行波壁运动的小尺度旋涡，有效抑制圆柱表面分离涡的产生，达到消除圆柱绕流尾迹和抑制涡激振动的目的；在计算初始和中途启动的行波壁均显著地抑制了圆柱的横向和流向振动；行波壁流动控制方法显著降低了圆柱升力系数脉动值和阻力系数均值，但阻力系数的脉动值则显著增大。 第三，采用行波壁对圆柱绕流场的旋涡脱落抑制进行了风洞试验研究，通过风洞试验验证该方法的可行性以及控制机理。行波的波幅为2.03mm，每个行波壁的波数为4。来流风速分别为3.0，6.0和9.1m/s，对应的行波壁速度比分别为as [0-0.506]，[0-0.253]和[0-0.167]。结果表明，速度比必须超过临界值，行波壁才能表现较好的控制效果，当行波壁控制时，整个尾流被抑制，旋涡脱落强度减弱，从而使得尾流变窄，阻力减小。尾流频率分析表明，当行波壁控制时，在尾流频率中不仅有旋涡脱落的频率，亦有行波干扰的频率。最后提出两种行波壁的两种控制机理：“强迫扰动”和“共振扰动”机理。“强迫扰动”机理是当速度比超过一定临界值之后，行波壁表现较好的控制效果；而“共振扰动”机理是本项目新发现和提出的一种控制机理，是指行波频率和涡脱频率接近时，行波壁体现出较好的控制效果。 2100433B

本项目研究大跨度桥梁斜拉索涡激振动与风雨激振绕流场边界层行波壁仿生控制。首先采用智能材料/MEMS技术，集成斜拉索-行波壁仿生控制系统，建立该系统行波壁仿生控制的力电模型；通过模型风洞实验，实现斜拉索涡激振动与风雨激振行波壁仿生控制，分析行波壁关键控制参数对控制效果的影响规律；建立网格自适应与网格局部重构相结合的混合动网格技术，实现行波壁控制系统-斜拉索（节段模型与柔性索模型）涡激振动与风雨激振CFD数值模拟，分析斜拉索绕流场及振动控制效果的变化规律；从斜拉索振动特性、气动力特性、边界层流态、绕流场分形特征及斜拉索振动与流场之间能量交换的转变规律等五个性能指标，揭示行波壁对斜拉索风致振动绕流场边界层流动的控制机理，分析斜拉索振动特性、气动力特性、边界层流态、绕流场分形特征及斜拉索振动与流场之间能量交换临界转变点及对应的控制参数。本项研究将为大跨度桥梁斜拉索风致振动控制提供崭新的方法和系统。

桥梁风致振动的经典理论体系是在40年代－70年代发展起来的。主要适用于悬索桥结构。80年代以来作了一些改进，使之基本适用于斜拉桥的抗风研究。但是经典抗风理论已越来越不能适应现代桥梁结构的发展，并且也出现了一些新的抗风课题。因此，有必要开展能适用于现代桥梁结构的风致振动与控制的现代理论体系研究。现代理论的核心是要摆脱只计主梁气动力作用等经典理论基本假定的限制，研究其它重要构件的气动力荷载的特性、表达方式与测定方法，进而建立计及全部主要构件（梁、索、塔）气动力荷载的改进的桥梁颤振与抖振理论。现代理论研究也包括紊流效应以及现代控制理论的深入研究。如同经典抗风理论促进了轻柔大跨悬索桥的发展一样，现代抗风理论将会对超大跨度桥梁以及复合材料轻型桥梁的发展起到巨大促进作用。