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、大振幅的振動現(xiàn)象。該現(xiàn)象會直接破壞斜拉索防腐系統(tǒng)，導(dǎo)致斜拉索失效，嚴(yán)重威脅行人及車輛的安全。根據(jù)近三十年來諸多學(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)速對斜拉索表面水膜的影響，并將不同風(fēng)速時的水膜運動與拉索振動進(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，實現(xiàn)了水膜運

2、動與兩自由度斜拉索振動間的雙向耦合；最后基于滑移理論與計算流體動力學(xué)CFD數(shù)值模擬技術(shù)，建立了三維斜拉索剛性節(jié)段水膜運動模型，并通過正則攝動法對方程進(jìn)行化簡，利用有限差分法求解，得到了不同工況下的水膜運動情況，從以上三個角度深入研究了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，主要研究內(nèi)容如下：
　　基于氣液兩相流理論及VOF法，計算了不同風(fēng)速時二維斜拉索表面的水膜運動變化情況，得到不同時刻的上水線及下水線的形成與變化規(guī)律，并通過后處理得到各時刻的氣動力時程及

3、頻譜分析，最后將得到氣動力升力值施加到斜拉索單質(zhì)點振動方程中，得到了不同風(fēng)速時的斜拉索的振動規(guī)律，通過分析表明，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在橫風(fēng)向及順風(fēng)向產(chǎn)生的加速度對水膜形態(tài)變化的影響建立了水膜運動方程，并利用CFD確定不同時刻的風(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引起的氣流場變化

4、，通過擬譜法求解，實現(xiàn)了水膜運動與兩自由度斜拉索振動間的雙向耦合，得到了不同時刻斜拉索順風(fēng)向及橫風(fēng)向的振動規(guī)律及上、下水線變化規(guī)律，通過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)生了大幅度的振動現(xiàn)象，其周圍的氣動力也發(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，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)拉索的振動頻率與拉索周圍的氣動力變化頻率、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)段水膜運動方程，利用正則攝動法對方程進(jìn)行化簡，忽略高階項，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；通過計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動變化情況證明了該方法的準(zhǔn)確性，然后計算了不同風(fēng)速時，斜拉索表面水膜的分布及形態(tài)變化，通過研究發(fā)現(xiàn)該方法能很好的模擬水膜在三維斜拉索表面的運動變化規(guī)律，只有當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時，才會出