斜拉索風(fēng)雨激振的數(shù)值模擬及基于滑移理論的機(jī)理研究.pdf

1、風(fēng)雨激振是指在風(fēng)雨條件下，斜拉索發(fā)生的低頻率、大振幅的振動(dòng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)直接破壞斜拉索防腐系統(tǒng)，導(dǎo)致斜拉索失效，嚴(yán)重威脅行人及車(chē)輛的安全。根據(jù)近三十年來(lái)諸多學(xué)者的研究表明，斜拉索表面水線形成和振蕩與風(fēng)雨激振現(xiàn)象有重要的關(guān)系。
　　本文首先基于氣液兩相流理論及體積分?jǐn)?shù)法VOF法，研究了不同風(fēng)速對(duì)斜拉索表面水膜的影響，并將不同風(fēng)速時(shí)的水膜運(yùn)動(dòng)與拉索振動(dòng)進(jìn)行單向耦合；然后基于滑移理論推導(dǎo)了二維兩自由度斜拉索風(fēng)雨激振理論模型，實(shí)現(xiàn)了水膜運(yùn)

2、動(dòng)與兩自由度斜拉索振動(dòng)間的雙向耦合；最后基于滑移理論與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD數(shù)值模擬技術(shù)，建立了三維斜拉索剛性節(jié)段水膜運(yùn)動(dòng)模型，并通過(guò)正則攝動(dòng)法對(duì)方程進(jìn)行化簡(jiǎn)，利用有限差分法求解，得到了不同工況下的水膜運(yùn)動(dòng)情況，從以上三個(gè)角度深入研究了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　基于氣液兩相流理論及VOF法，計(jì)算了不同風(fēng)速時(shí)二維斜拉索表面的水膜運(yùn)動(dòng)變化情況，得到不同時(shí)刻的上水線及下水線的形成與變化規(guī)律，并通過(guò)后處理得到各時(shí)刻的氣動(dòng)力時(shí)程及

3、頻譜分析，最后將得到氣動(dòng)力升力值施加到斜拉索單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方程中，得到了不同風(fēng)速時(shí)的斜拉索的振動(dòng)規(guī)律，通過(guò)分析表明，上水線的周期性振蕩是引起風(fēng)雨激振的主要原因；
　　基于滑移理論，建立了兩自由度斜拉索風(fēng)雨激振理論模型，首先考慮斜拉索振動(dòng)在橫風(fēng)向及順風(fēng)向產(chǎn)生的加速度對(duì)水膜形態(tài)變化的影響建立了水膜運(yùn)動(dòng)方程，并利用CFD確定不同時(shí)刻的風(fēng)壓力系數(shù)Cp和風(fēng)摩擦力系數(shù)Cfθ和Cfz，考慮了水膜形態(tài)變化導(dǎo)致斜拉索邊界的變化及拉索振動(dòng)引起的氣流場(chǎng)變化

4、，通過(guò)擬譜法求解，實(shí)現(xiàn)了水膜運(yùn)動(dòng)與兩自由度斜拉索振動(dòng)間的雙向耦合，得到了不同時(shí)刻斜拉索順風(fēng)向及橫風(fēng)向的振動(dòng)規(guī)律及上、下水線變化規(guī)律，通過(guò)與單自由度斜拉索風(fēng)雨激振結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩自由度斜拉索在橫風(fēng)向及順風(fēng)向均發(fā)生了大幅度的振動(dòng)現(xiàn)象，其周?chē)臍鈩?dòng)力也發(fā)生了周期性的變化，而拉索表面上、下水線也出現(xiàn)了明顯的周期性振蕩，通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)拉索的振動(dòng)頻率與拉索周?chē)臍鈩?dòng)力變化頻率、水線的振蕩頻率非常接近，且均接近于拉索的自振頻率；
　　考慮

5、斜拉索氣流及水流沿軸向的影響，基于滑移理論建立了三維斜拉索剛性節(jié)段水膜運(yùn)動(dòng)方程，利用正則攝動(dòng)法對(duì)方程進(jìn)行化簡(jiǎn)，忽略高階項(xiàng)，并采用有限差分法中的交替方向隱式差分格式（ADI格式）進(jìn)行數(shù)值求解；通過(guò)計(jì)算水平及豎直放置的斜拉索在僅受重力作用下斜拉索表面水膜的運(yùn)動(dòng)變化情況證明了該方法的準(zhǔn)確性，然后計(jì)算了不同風(fēng)速時(shí)，斜拉索表面水膜的分布及形態(tài)變化，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該方法能很好的模擬水膜在三維斜拉索表面的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，只有當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，才會(huì)出