歐陽克儉， 陳政清

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司 電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙　410007； 2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程研究中心，長(zhǎng)沙　410082)

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中央穩(wěn)定板提高顫振穩(wěn)定性能的細(xì)觀作用機(jī)理

歐陽克儉1,2， 陳政清2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司 電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙410007； 2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程研究中心，長(zhǎng)沙410082)

摘要：通過CFD數(shù)值模擬以及PIV風(fēng)洞試驗(yàn)研究了中央穩(wěn)定板對(duì)矮寨桁架梁懸索橋斷面繞流的細(xì)觀作用機(jī)理。CFD數(shù)值模擬表明中央穩(wěn)定板促進(jìn)了在橋面中央附近形成位于上下橋面的旋渦對(duì)，使之相當(dāng)于升力的作用。有穩(wěn)定板斷面前端和尾部的旋渦體積增大，進(jìn)而使橋梁斷面在顫振中的豎向自由度參與作用增強(qiáng)。PIV流跡顯示氣流在中央穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)形成了漩渦，在模型尾部同樣有旋渦的形成，進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬的正確性。

關(guān)鍵詞：顫振；氣動(dòng)措施；中央穩(wěn)定版；PIV；CFD

氣動(dòng)控制措施對(duì)顫振性能的細(xì)觀作用機(jī)理主要有粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry)簡(jiǎn)稱為PIV和CFD兩種方式。Palombi等[1]對(duì)大海帶東橋以及不同類型的矩形斷面進(jìn)行了PIV試驗(yàn)，分析了斷面的旋渦大小、強(qiáng)度、間距以及渦跡特征。張偉等[2-3]基于同濟(jì)大學(xué)專用的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)室對(duì)一些典型斷面的顫振機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。劉祖軍[4]通過PIV試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)靜場(chǎng)繞流的箱梁斷面在尾部有尺度較大的旋渦，接近圓形，風(fēng)嘴和模型下底部是旋渦產(chǎn)生的主要部位。Larsen[5]通過離散渦的CFD分析方法對(duì)Tacoma橋梁斷面的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了顫振機(jī)理方面的研究。Watanabea等[6]基于CFD方法研究了中央開槽對(duì)三分力系數(shù)的影響，得到了模型表面的壓力分布，該方法僅考慮了中央開槽對(duì)靜力系數(shù)的影響。Sarwar等[7]通過CFD方法分析了導(dǎo)流措施對(duì)高墩類矩形斷面氣動(dòng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流措施能夠很好的抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值。

位于湖南西部山區(qū)的吉首至茶洞公路段的矮寨大橋?yàn)橐蛔撹旒觿帕簯宜鳂?，該橋設(shè)計(jì)方案不能滿足顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的要求[8-9]。本文即以矮寨大橋?yàn)檠芯勘尘埃瑢?duì)中央穩(wěn)定板提高該橋顫振穩(wěn)定性的細(xì)觀作用機(jī)理進(jìn)行研究，首先根據(jù)CFD數(shù)值模擬，研究了中央穩(wěn)定板對(duì)桁架斷面旋渦的的作用規(guī)律，從細(xì)觀的角度對(duì)中央穩(wěn)定板提高桁架梁懸索橋的顫振性能進(jìn)行剖析；然后基于PIV風(fēng)洞試驗(yàn)[10-11]，對(duì)矮寨大橋節(jié)段模型繞流流場(chǎng)進(jìn)行了研究。PIV風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬研究結(jié)果互相比對(duì)，校核結(jié)果。

1CFD數(shù)值模擬研究

鑒于橋梁節(jié)段模型試驗(yàn)是基于片條理論假設(shè)[12-14]，為節(jié)省計(jì)算工作量，本文將桁架模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，使之滿足二維數(shù)值計(jì)算的要求。具體簡(jiǎn)化方法為：將貫通全橋的主桁、上下穩(wěn)定板、工字梁、中央穩(wěn)定板、檢修軌道底板按橫橋向截面截??；將橋面欄桿進(jìn)行風(fēng)阻面積等效；上下平聯(lián)和斜腹桿按在每個(gè)桁架段空間交錯(cuò)的中心位置近似截取。有穩(wěn)定板簡(jiǎn)化模型如圖1所示，無穩(wěn)定板計(jì)算模型簡(jiǎn)化類似。有無中央穩(wěn)定板兩種模型都封閉了中央開槽。

矮寨大橋斷面CFD模型尺寸和風(fēng)洞節(jié)段模型試驗(yàn)尺寸相同。模型寬度B=0.54 m。入口距斷面中心8B，出口距斷面中心16B，入口采用速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，上下壁面采用自由滑移壁面邊界條件，模型斷面采用無滑移的壁面邊界條件，風(fēng)攻角為0°，邊界條件具體設(shè)置如圖2。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m/s時(shí)。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s，SST湍流模型計(jì)算得到的升力系數(shù)的頻譜曲線如圖3所示，其中頻率信息顯示含有14.8 Hz、8.2 Hz、24.2 Hz等成分。

圖1　有穩(wěn)定板二維簡(jiǎn)化模型Fig.1 Two dimensional simplified numerical model of the Central stabilizer

圖2 二維桁架模型計(jì)算域及邊界條件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditionsoftwodimensionaltrussmodel圖3 有穩(wěn)定板模型升力時(shí)程幅值譜Fig.3Lift-timecurveofmodewithcentralstabilizer

從升力時(shí)程曲線可以看出SST湍流模型對(duì)旋渦脫落的捕捉能力明顯強(qiáng)于k-ε湍流模型。兩種湍流模型計(jì)算得到的平均三分力系數(shù)和試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表1所示，k-ε模型三分力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值較為接近，尤其是扭矩系數(shù)正負(fù)號(hào)和試驗(yàn)值一致。從三分力系數(shù)的CFD數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，對(duì)于矮寨大橋模型斷面的簡(jiǎn)化處理是合理有效的，完全滿足計(jì)算精度要求，只是在湍流模型的選擇上要有針對(duì)性。

表1　有穩(wěn)定板0°攻角三分力系數(shù)對(duì)比

分別基于SST和k-ε兩種湍流模型計(jì)算了有無穩(wěn)定板的模型斷面在風(fēng)速為6 m/s和10 m/s時(shí)的平均流場(chǎng)。圖4和圖5為有穩(wěn)定板的斷面的流線顯示，無穩(wěn)定板斷面模型和有穩(wěn)定板斷面模型的計(jì)算工況一致，無穩(wěn)定板斷面模型的流線顯示如圖6和圖7所示。

從圖4的平均流場(chǎng)可以看出，氣流首先穿透迎風(fēng)側(cè)的防撞欄桿，進(jìn)入前半橋面，在前半橋面的上表面和下表面周圍區(qū)域沒有形成旋渦，流線較為光滑。氣流繞過上下穩(wěn)定板時(shí)在上下穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)都有一個(gè)和穩(wěn)定板等高的旋渦形成，后半橋面的上部氣流穿過下游防撞欄桿進(jìn)入尾流區(qū)域。后半橋面的下部氣流在穿過橋面板底部從下游主桁上弦穿出時(shí)形成的氣流剪切且沖擊穿透上部欄桿的氣流作而形成了一個(gè)體積較小的旋渦。在模型斷面的其他區(qū)域流線都很光滑，沒有旋渦生成。盡管兩圖反映的風(fēng)速不同，得到的流場(chǎng)變化基本一致。圖5的流線顯示在上下中央穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)形成有旋渦對(duì)，但是在模型尾部沒有觀察到旋渦的形成，這也說明由于近壁面網(wǎng)格處理和計(jì)算的原因，SST湍流模型對(duì)旋渦的撲捉能力較k-ε湍流模型更強(qiáng)。對(duì)于無穩(wěn)定板的情況，圖6得到的兩個(gè)不同風(fēng)速的流線顯示圖基本一致，在此一并說明。首先氣流從上游主桁上弦和橋面板的間距之間進(jìn)入下橋面，此時(shí)可以看出，幾個(gè)“工”字型縱梁之間的小旋渦連成一個(gè)整體，也即在迎風(fēng)側(cè)橋面板的底部形成一個(gè)體積較大的旋渦。上橋面氣流穿透所有欄桿進(jìn)入尾流。下部橋面氣流在穿過橋面板底部從下游主桁上弦穿出時(shí)形成的氣流剪切且沖擊穿透上部欄桿的氣流作而形成了一個(gè)體積較大的旋渦。由圖7所示k-ε湍流模型在兩個(gè)風(fēng)速下沒有捕捉到旋渦。綜合對(duì)比有無穩(wěn)定板模型由SST湍流模型得到的計(jì)算結(jié)果：無穩(wěn)定板模型在橋梁斷面的迎風(fēng)側(cè)和尾部都發(fā)現(xiàn)了明顯的旋渦，且旋渦的體積較大，而在有穩(wěn)定板的計(jì)算工況中沒有發(fā)現(xiàn)橋梁模型在迎風(fēng)側(cè)有旋渦形成，只在模型尾流區(qū)域有體積較小的旋渦生成，更為明顯的是有穩(wěn)定板模型在靠近模型的中間位置，也即穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)形成了一個(gè)上下旋渦對(duì)。初步分析，由于沒有穩(wěn)定板的模型在迎風(fēng)側(cè)和尾流區(qū)有明顯的旋渦形成，這對(duì)旋渦可能交替作用橋梁模型，產(chǎn)生一個(gè)扭矩作用，從而誘使橋梁顫振的發(fā)生。而有穩(wěn)定板的作用時(shí)，迎風(fēng)側(cè)橋面底板沒有過大的旋渦，相應(yīng)的在尾流區(qū)域也只有相對(duì)較小的旋渦，從而使得氣流對(duì)橋梁的力矩作用減弱。在靠近模型中央，也就是上下穩(wěn)定板的背風(fēng)區(qū)域形成了明顯的旋渦對(duì)，這使得旋渦的交替作用相當(dāng)于氣動(dòng)升力的形式，使得橋梁豎向自由度的參與程度增強(qiáng)而扭轉(zhuǎn)自由度的參與程度減弱，進(jìn)而達(dá)到提高顫振臨界風(fēng)速的目的。這和前期研究中中央穩(wěn)定板的宏觀機(jī)理解釋吻合[8-9]。

圖4 有穩(wěn)定板模型穩(wěn)態(tài)流線(SST湍流模型)Fig.4Steadystreamlineofmodewithcentralstabilizer(SSTturbulencemodel)圖5 有穩(wěn)定板模型穩(wěn)態(tài)流線(k-ε湍流模型)Fig.5Steadystreamlineofmodewithcentralstabilizer(k-εturbulencemodel)圖6 無穩(wěn)定板模型穩(wěn)態(tài)流線(SST湍流模型)Fig.6Steadystreamlineofmodewithoutcentralstabilizer(SSTturbulencemodel)

2PIV風(fēng)洞試驗(yàn)

矮寨大橋主梁斷面縮尺比1∶50，節(jié)段模型固定于風(fēng)洞內(nèi)部，如圖8所示。CCD相機(jī)鏡頭產(chǎn)自尼康公司，焦距為85 mm，光圈為1.4，相機(jī)的有效像素是1 100 萬像素，最大分辨率為4 000×2 672 像素，每個(gè)像素的尺寸為9 μm×9 μm。采樣頻率為5 Hz，試驗(yàn)采用的激光波長(zhǎng)為532 nm的綠光。

圖8　矮寨大橋節(jié)段模型PIV試驗(yàn)Fig.8 PIV wind test of section model of aizhai bridge

由于矮寨大橋模型橋面以下為桁架交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這將遮擋CCD相機(jī)對(duì)激光面位置流場(chǎng)的有效拍攝，故本次試驗(yàn)只進(jìn)行了0°攻角模型上表面和尾部流場(chǎng)的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)。由于橋梁模型相對(duì)相機(jī)拍攝面過寬，同時(shí)也為保證相機(jī)拍攝區(qū)域?yàn)榧す馔渡淠芰康募袇^(qū)域，特將模型上表面和模型尾部分成兩個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)段模型通過剛性固定于湖南大學(xué)Ⅱ風(fēng)洞試驗(yàn)高速段。

當(dāng)激光投射到模型表面時(shí)，白色的塑料材質(zhì)欄桿和木質(zhì)橋面板會(huì)產(chǎn)生反射和散射，影響相機(jī)對(duì)流場(chǎng)的有效捕捉，為盡量降低這一因素的影響，在激光面投身區(qū)域附近噴灑了亞光黑漆，使得曝光減少，拍攝效果得到明顯改善。通過5次采集，每次連續(xù)采集20組圖片后進(jìn)行互相關(guān)的平均計(jì)算即可得到模型繞流的平均流場(chǎng)。進(jìn)行了0°攻角，風(fēng)速分別為6 m/s和10 m/s有無穩(wěn)定板節(jié)段模型的靜場(chǎng)繞流PIV風(fēng)洞試驗(yàn)。

由圖9的試驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)速為6 m/s時(shí)，有穩(wěn)定板模型的上表面在中央穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)形成了一個(gè)明顯的旋渦，這和CFD數(shù)值模擬結(jié)果一致，只是在體積大小上有所不同。速度云圖說明迎風(fēng)側(cè)前半橋面上方的氣流速度整體大于下游后半橋面，風(fēng)速沿橋面往上呈梯度變化，這是由于橋面和橋面附屬設(shè)施的粘性作用所致。以中央穩(wěn)定板的高度作為參照物，發(fā)現(xiàn)PIV試驗(yàn)撲捉到的旋渦體積要小于CFD數(shù)值模擬結(jié)果。由圖9、圖11、圖13、圖15可知，有無穩(wěn)定板的模型斷面在下游防撞欄桿的附近均有體積細(xì)小的旋渦形成，這是在CFD數(shù)值模擬中所沒有發(fā)現(xiàn)的，這也說明PIV試驗(yàn)對(duì)旋渦的捕捉能力要強(qiáng)于CFD中的SST湍流模型所計(jì)算的結(jié)果。圖11顯示無穩(wěn)定板模型上中央防撞欄附近沒有形成旋渦。圖10、圖12、圖14、圖16說明有無穩(wěn)定板的模型斷面尾部都有體積相對(duì)較大的旋渦形成，旋渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，該旋渦的形成是由于氣流從下游主桁和橋面之間的間距沖出，形成的順時(shí)針旋渦。這與CFD數(shù)值模擬得到的結(jié)論一致。

圖9　有穩(wěn)定板模型上表面平均流線和速度云圖(風(fēng)速6 m/s)Fig.9 Surface streamline and velocity cloud picture of mode with central stabilizer(6 m/s)

圖10　有穩(wěn)定板模型尾部平均流線和速度云圖(風(fēng)速6 m/s)Fig.10 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(6 m/s)

圖11　無穩(wěn)定板模型上表面平均流線和速度云圖(風(fēng)速6 m/s)Fig.11 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(6 m/s)

圖12　無穩(wěn)定板模型尾部平均流線 (風(fēng)速6 m/s)Fig.12 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(6 m/s)

圖13　有穩(wěn)定板模型上表面平均流線(風(fēng)速10 m/s)Fig.13 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(10 m/s)

圖14　有穩(wěn)定板模型尾部平均流線和速度云圖(風(fēng)速10 m/s)Fig.14 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode with central stabilizer(10 m/s)

圖15　無穩(wěn)定板模型上表面平均流線和速度云圖(風(fēng)速10 m/s)Fig.15 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(10 m/s)

圖16　無穩(wěn)定板模型尾部平均流線和速度云圖(風(fēng)速10 m/s)Fig.16 Surface streamline and velocity cloud picture of tail of mode without central stabilizer(10 m/s)

風(fēng)速為10 m/s時(shí)有無中央穩(wěn)定板兩種工況之間流場(chǎng)的變化和風(fēng)速為6 m/s時(shí)大致相同，只是當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，在中央穩(wěn)定板下游側(cè)形成的旋渦要稍微遠(yuǎn)離穩(wěn)定板，這是由于較大的風(fēng)速對(duì)旋渦的沖擊作用更強(qiáng)所致。圖14顯示尾部流跡在模型尾部形成了一個(gè)體積較大的旋渦之后在該旋渦一定距離后再由一個(gè)體積更小的旋渦生成，兩個(gè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向一致。PIV試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬的正確性。

3結(jié)論

CFD數(shù)值模擬從細(xì)觀的角度說明中央穩(wěn)定板對(duì)桁架梁懸索橋斷面繞流的作用機(jī)理。研究認(rèn)為中央穩(wěn)定板促進(jìn)了在橋面中央附近形成位于上下橋面的旋渦對(duì)，使之相當(dāng)于升力的作用，同時(shí)在無穩(wěn)定板斷面前端和尾部的旋渦體積減小，進(jìn)而使橋梁斷面在顫振中的豎向自由度參與作用增強(qiáng)，而非認(rèn)為中央穩(wěn)定板是切斷了漩渦的傳遞路徑，達(dá)到抑制旋渦移動(dòng)的效果。

PIV流跡顯示氣流在中央穩(wěn)定板的背風(fēng)側(cè)形成了漩渦，在模型尾部同樣有旋渦的形成，這驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬的正確性，但PIV風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在下游橋面欄桿附近有體積較小的旋渦形成，這是在CFD模擬中沒有發(fā)現(xiàn)的?？偟膩碚f，兩種細(xì)觀機(jī)理研究表明中央穩(wěn)定板使得在模型前后兩段的旋渦體積減小，可能對(duì)模型的扭矩作用減弱；在上下中央穩(wěn)定板背風(fēng)側(cè)形成的旋渦相當(dāng)于升力作用，使得模型的豎向自由度參與增強(qiáng)，而扭轉(zhuǎn)自由度的參與效應(yīng)較弱。當(dāng)然本文只進(jìn)行了靜場(chǎng)繞流的CFD數(shù)值模擬和PIV風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)對(duì)該結(jié)論的驗(yàn)證是必要的。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2014-05-22修改稿收到日期：2014-08-22

中圖分類號(hào):U441.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.003

Micro-mechanism of a central stabilizer for improving a bridge’s flutter stability

OUYANG Ke-jian1,2, CHEN Zheng-qing2

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China；2. Wind Engineering Research Center, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract:CFD numerical simulation and PIV wind tunnel tests were conducted to study the micro-mechanism of a central stabilizer for a flow around Aizhai truss suspension bridge cross-section. CFD numerical simulation showed that the central stabilizer promotes the formation of vortex pairs at the upper and lower deck near the center of the bridge deck and makes them be equivalent to the action of lift force; vortex volumes of front and tail of central stabilizer grow to enhance the participation function of the vertical DOFs of the bridge cross-section in flutter. PIV flow trace indicated that the air flow on the leeward side of the central stabilizer forms vortexes, the same vortex formation occurs at the end of the bridge model, the correctness of CFD numerical simulation is verified.

Key words:flutter; aerodynamic measures; central stabilizer; PIV; CFD

第一作者 歐陽克儉 男，博士，高級(jí)工程師，1981年生