基于粒子圖像測速技術(shù)的橋梁風(fēng)致振動細(xì)觀機(jī)理研究.pdf

1、本文的主要工作是將粒子圖像測速技術(shù)(PIV)引入到橋梁風(fēng)振的研究中，并由此建立一整套基于速度場的橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振機(jī)理的研究框架。PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成功引入，建立了傳統(tǒng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析以及數(shù)值模擬計算之間更加直接和有效的聯(lián)系紐帶，為從根本上了解橋梁風(fēng)振機(jī)理以及有效控制橋梁風(fēng)振奠定了基礎(chǔ)。本文主要完成了下面一些工作。 1.建立了風(fēng)洞粒子圖像測速試驗(yàn)系統(tǒng)。為能夠進(jìn)行風(fēng)洞中的PIV試驗(yàn)，同濟(jì)大學(xué)新建設(shè)了TJ-4號風(fēng)洞并引進(jìn)了PIV設(shè)備。為建

2、立起風(fēng)洞粒子圖像測速試驗(yàn)系統(tǒng)，對風(fēng)洞的流場進(jìn)行了校測，并采用了標(biāo)模試驗(yàn)方法，來驗(yàn)證風(fēng)洞和粒子圖像測速系統(tǒng)的有效性。 2.通過分析簡單幾何形體的繞流，特別是旋渦分析，提出了根據(jù)單幅PIV速度場獲得結(jié)構(gòu)繞流斯托羅哈數(shù)的新方法。這種方法結(jié)合了快照正交特征分解方法和小渦分解兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并通過引入修正的凍結(jié)湍流假設(shè)，通過采用旋渦覆蓋區(qū)域的平均速度作為旋渦的移動速度，使得對于旋渦運(yùn)動描述更加精確，從而使得這種計算方法精度更高。

3、3.分析了典型橋梁斷面繞流流場，其中包括大海帶東橋主橋斷面、1stTacoma橋的H形簡化斷面和分離雙箱斷面等。通過對多種常用橋梁斷面的分析，發(fā)現(xiàn)了幾種斷面旋渦的運(yùn)動規(guī)律的差別。分析結(jié)果同時表明，旋渦的運(yùn)動規(guī)律同結(jié)構(gòu)所受的氣動力存在一定的關(guān)系。通過對流場中旋渦的結(jié)構(gòu)分析和旋渦模型參數(shù)擬合，提出了一種基于旋渦與結(jié)構(gòu)相互作用的研究思路。 4.從流體力學(xué)的基本方程如連續(xù)方程和動量方程等出發(fā)，推導(dǎo)了采用結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場速度場時間序列獲得結(jié)構(gòu)

4、非定常氣動力的計算公式，并依據(jù)現(xiàn)有的PIV設(shè)備的低時間分辨率進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，最后通過數(shù)值模擬得到的速度場和PIV速度場對三分力系數(shù)進(jìn)行了計算和試驗(yàn)驗(yàn)證。給出了與平板Theodorsen準(zhǔn)定常氣動力理論解相似的非定常氣動力的計算過程和方法。 5.根據(jù)速度場的變化特征，總結(jié)了橋梁振動的驅(qū)動機(jī)理。通過對包括平板斷面、單箱斷面以及H形鈍體斷面氣彈結(jié)構(gòu)周圍流場和結(jié)構(gòu)運(yùn)動的分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)運(yùn)動與其周圍流場規(guī)律性的旋渦生成和移動有關(guān)。在采用適