周旭輝

(1. 中鐵十一局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430061; 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 430007)

0 引言

對(duì)于橋梁斜拉索、吊桿、輸電線、燈柱等細(xì)長(zhǎng)圓柱結(jié)構(gòu),當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離和尾流區(qū)域交替的旋渦脫落,隨著流速的增加,渦脫頻率逐漸接近結(jié)構(gòu)自振頻率,從而發(fā)生渦激共振現(xiàn)象[1]。某座跨海懸索橋,沿橋梁長(zhǎng)度方向兩側(cè)設(shè)置了照明路燈,燈柱采用變截面空心圓的形式,由鋼板卷制而成,燈柱高12 m,燈柱下部直徑為0.2 m,上部直徑為0.1 m,通過(guò)法蘭盤固定在橋面,燈柱沿高度方向有一道明顯的焊縫,各燈柱的焊縫位置存在差異。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,在常遇風(fēng)速范圍內(nèi),燈柱發(fā)生了明顯的二階渦激振動(dòng)現(xiàn)象,且焊縫及其周向位置對(duì)燈柱的渦激振動(dòng)有顯著的影響,不同的焊縫周向位置會(huì)抑制或者增強(qiáng)燈柱的渦激振動(dòng)。燈柱長(zhǎng)期的渦激振動(dòng)會(huì)影響其耐久性,導(dǎo)致疲勞破壞,因此有必要對(duì)燈柱氣動(dòng)特性以及焊縫對(duì)渦激振動(dòng)的影響機(jī)理開(kāi)展研究。

針對(duì)燈柱等自立細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)問(wèn)題,已有大量學(xué)者進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)[2-6]以及理論研究[7-8],但其研究對(duì)象大多為常規(guī)的圓截面或者多邊形截面,對(duì)于帶焊縫的圓截面燈柱目前還未有相關(guān)的報(bào)道。眾所周知,圓柱表面的輕微干擾會(huì)顯著改變其氣動(dòng)性能,使其表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性[9-11]。帶焊縫的圓燈柱與拉索風(fēng)雨振的人工雨線模型和帶絆線的圓柱類似,人工雨線和絆線的存在極大地改變了圓柱的氣動(dòng)性能。NEBRES等[12]研究了單絆線對(duì)圓柱表面壓力、St數(shù)和阻力系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)絆線在20°～70°之間,尾流、阻力和St數(shù)受絆線影響顯著,當(dāng)絆線靠近圓柱駐點(diǎn)位置時(shí),阻力和St數(shù)受影響不明顯。DU等[13]對(duì)0°風(fēng)向角下帶人工水線的拉索圓柱模型進(jìn)行了同步測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn),結(jié)果表明:不同的水線位置會(huì)增強(qiáng)或者抑制卡門渦脫。PENG[14]基于CFD數(shù)值模擬,通過(guò)模擬降雨和固定人工雨線的方法,分析了雨線對(duì)圓柱流動(dòng)模式的影響。EKMEKCI等[15]采用PIV技術(shù)研究了不同位置的絆線對(duì)圓柱近表面剪切層分離和尾流的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絆線的存在改變了結(jié)構(gòu)的尾流特征。ALAM等[16]對(duì)不同絆線位置的圓柱開(kāi)展了測(cè)壓試驗(yàn),并測(cè)試了其尾流特征,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):不同的絆線位置會(huì)顯著影響邊界層穩(wěn)定性、分離點(diǎn)位置以及尾流寬度。COSENTINO等[17]、ZDRAVKOVICH[18]和SCHEWE[19]提出,圓柱氣動(dòng)特性受表面小的擾動(dòng)非常敏感,表面的輕微凸起、粗糙度等因素可能使圓柱流動(dòng)模式從亞臨界轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界狀態(tài),近表面邊界層會(huì)發(fā)生層流到湍流的轉(zhuǎn)捩,導(dǎo)致圓柱表面發(fā)生分離再附現(xiàn)象。

上述文獻(xiàn)對(duì)帶人工雨線的拉索模型以及帶絆線圓柱的氣動(dòng)特性進(jìn)行了較好的研究,但其關(guān)注重點(diǎn)大多在拉索風(fēng)雨振的起振機(jī)理以及絆線引起的分離再附等現(xiàn)象,對(duì)于焊縫、雨線和絆線對(duì)圓柱渦激振動(dòng)影響的研究較少。另外,焊縫的形狀和尺寸與人工水線、絆線存在差異,可能造成圓柱氣動(dòng)特性以及流動(dòng)機(jī)制的差異?；谏鲜鲅芯勘尘?本文設(shè)計(jì)制作了直徑為160 mm的燈柱剛性節(jié)段測(cè)壓模型,采用ABS弧形板條模擬焊縫,通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了燈柱的氣動(dòng)特性,分析了不同焊縫位置燈柱的氣動(dòng)力、表面壓力分布以及流體渦脫強(qiáng)度等特征,并探究了焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)的影響機(jī)理,可為后續(xù)帶焊縫燈柱的渦激振動(dòng)控制提供了基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞介紹

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室高速段進(jìn)行。長(zhǎng)沙理工風(fēng)洞為回/直流雙試驗(yàn)段邊界層風(fēng)洞,包括水平回流高風(fēng)速試驗(yàn)段和直流低風(fēng)速試驗(yàn)段,風(fēng)機(jī)扇葉采用可變焦距系統(tǒng),可確保低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)定可靠,低速段尺寸為:10.0 m×3.0 m×21.0 m,風(fēng)速范圍為1.0～18.0 m/s,高速段尺寸為4.0 m×3.0 m×21.0 m,風(fēng)速范圍為1.0～45.0 m/s。

1.2 節(jié)段模型測(cè)壓試驗(yàn)

實(shí)際燈柱發(fā)生渦激振動(dòng)的常遇風(fēng)速為6～10 m/s,對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為亞臨界區(qū)域。本文設(shè)計(jì)的燈柱節(jié)段測(cè)壓模型長(zhǎng)0.91 m,采用等截面形式,模型直徑D為0.16 m,端板直徑為2.5D,風(fēng)洞節(jié)段測(cè)壓模型試驗(yàn)布置如圖1所示。選取8 m/s風(fēng)速進(jìn)行試驗(yàn),雷諾數(shù)與實(shí)際燈柱基本一致, 約為0.91×105, 實(shí)測(cè)流場(chǎng)的紊流度小于0.5%,風(fēng)洞阻塞率約為1.61%,能夠較好的模擬實(shí)際燈柱的氣動(dòng)特性。在模型中間位置設(shè)置了兩圈測(cè)點(diǎn),間距為15 cm,定義為測(cè)壓圈A和測(cè)壓圈B,每圈各設(shè)置66個(gè)測(cè)壓孔,節(jié)段模型總共設(shè)置了132個(gè)測(cè)壓孔。

圖1 風(fēng)洞節(jié)段測(cè)壓模型實(shí)驗(yàn)布置圖Fig. 1 Light pole sectional pressure model and experimental setup

采用DSM300電子壓力掃描閥系統(tǒng)測(cè)量燈柱周向及焊縫位置的風(fēng)壓分布,采樣頻率為330 Hz,采樣時(shí)間為60 s。采用TFI Cobra眼鏡蛇探針測(cè)量來(lái)流風(fēng)速,探針采樣頻率為1000 Hz,采樣時(shí)間為32.14 s。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤測(cè)量不同焊縫位置的燈柱壓力分布,轉(zhuǎn)盤每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為3°,測(cè)試了0°～180°范圍內(nèi)共61個(gè)工況。

1.3 焊縫位置及氣動(dòng)力定義

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,原燈柱沿高度方向存在厚度為2～3 mm,寬度為5～12 mm的焊縫,如圖2所示。為風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果更為接近實(shí)際燈柱,節(jié)段測(cè)壓模型選取了與實(shí)際焊縫接近的平均尺寸,厚度為2 mm,寬度為8 mm的弧形ABS板條粘貼在圓柱表面模擬實(shí)際燈柱的焊縫,圖3為焊縫尺寸以及焊縫位置θ的定義。

圖2 實(shí)際燈柱焊縫圖Fig. 2 Weld of actual light pole

圖3 焊縫位置及尺寸示意圖Fig. 3 Position and size of weld

燈柱節(jié)段模型表面無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)定義為:

(1)

燈柱節(jié)段模型的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力系數(shù)定義為:

(2a)

(2b)

(3a)

(3b)

式中:ρ為空氣密度;U0為來(lái)流風(fēng)速;p為壓力掃描閥測(cè)量的測(cè)壓孔風(fēng)壓;p0為參考點(diǎn)靜壓;D為燈柱節(jié)段模型直徑;s為每個(gè)測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng);FD和FL分別為燈柱模型單位長(zhǎng)度的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力,通過(guò)上式積分所得;α為各測(cè)壓孔角度位置,如圖1所示;CD和CL分別為燈柱模型的阻力系數(shù)和升力系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性,首先對(duì)光滑圓柱開(kāi)展測(cè)壓試驗(yàn)。DU等[13]和FARELL等[20]分別通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了光滑圓柱在亞臨界雷諾數(shù)區(qū)域的風(fēng)壓分布,本文參考文獻(xiàn)[13]和[20],對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。圖4為本文和參考文獻(xiàn)所測(cè)圓柱平均壓力分布系數(shù)對(duì)比圖。由圖可知,本文所測(cè)RingA和RingB兩圈測(cè)點(diǎn)的平均壓力分布曲線基本重合, RingB由于試驗(yàn)誤差,在約338°存在較小的偏差,兩圈測(cè)點(diǎn)的結(jié)果與參考文獻(xiàn)的結(jié)果基本吻合,為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性,本文選取RingA結(jié)果進(jìn)行后續(xù)分析。

圖4 光滑圓柱周向壓力分布對(duì)比Fig. 4 Comparison of circumferential pressure distribution for smooth cylinder

2.2 焊縫對(duì)燈柱氣動(dòng)力的影響

為了研究焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)的影響機(jī)理,文中首先分析了不同焊縫位置對(duì)燈柱氣動(dòng)力的影響。圖5和圖6是不同焊縫位置的燈柱平均氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)力系數(shù)均方根,依據(jù)氣動(dòng)力系數(shù)變化特征,本文將0°～180°焊縫位置分為A～E這5個(gè)影響區(qū)域。

圖5 不同焊縫位置的燈柱平均升力系數(shù)和平均阻力系數(shù)Fig. 5 Mean lift and drag coefficients for different weld positions of light pole圖6 不同焊縫位置的燈柱升力系數(shù)和阻力系數(shù)均方根Fig. 6 RMS of lift and drag coefficients for different weld positions of light pole

當(dāng)焊縫位置在A區(qū)域(0°～18°)時(shí),燈柱平均氣動(dòng)力和氣動(dòng)力均方根基本保持不變,平均升力系數(shù)約為0,平均阻力系數(shù)約為1.4,升力系數(shù)均方根約為0.2,阻力系數(shù)均方根約為0,在該區(qū)域內(nèi),焊縫對(duì)燈柱氣動(dòng)力影響較小,圓柱氣動(dòng)力系數(shù)與光滑圓柱類似。

當(dāng)焊縫位置在B區(qū)域(18°～33°)時(shí),平均氣動(dòng)力和氣動(dòng)力均方根隨焊縫角度的增加基本呈線性變化,平均升力大幅增加至0.7附近,平均阻力輕微降低至1.0附近,升力均方根相較A區(qū)域(0°～18°)降低0.1左右。升力均方根的幅值一定程度可以反應(yīng)流體渦脫的強(qiáng)度,在B區(qū)域內(nèi)(0°～18°),升力均方根的降低,表明燈柱的流體渦脫強(qiáng)度降低,焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)產(chǎn)生了抑制作用,同時(shí),隨著焊縫角度的增加,焊縫產(chǎn)生的抑制效果逐漸增強(qiáng)。

當(dāng)焊縫位置在C區(qū)域(33°～63°)時(shí),燈柱平均氣動(dòng)力和氣動(dòng)力均方根基本不發(fā)生變化,升力均方根始終保持在最小值附近,在該區(qū)域內(nèi),焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)保持較強(qiáng)的抑制效果。當(dāng)焊縫位置在D區(qū)域(63°～78°)時(shí),盡管對(duì)應(yīng)的焊縫角度區(qū)間較小,燈柱氣動(dòng)力在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生了顯著的變化,平均升力迅速降低到0附近,平均阻力回升至1.4附近,與此同時(shí),升力均方根迅速增加,在78°焊縫位置,升力均方根達(dá)到最大值,此時(shí)的流體渦脫強(qiáng)度也顯著提高,焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)產(chǎn)生了明顯的增強(qiáng)效果。

當(dāng)焊縫位置超過(guò)D區(qū)域(63°～78°)后,燈柱升力均方根迅速回落,焊縫的增強(qiáng)作用基本消失,此時(shí)焊縫對(duì)圓柱影響較小,燈柱氣動(dòng)力與A區(qū)域和光滑圓柱基本保持一致。對(duì)于亞臨界雷諾數(shù)區(qū)域的光滑圓柱。其渦脫分離點(diǎn)通常位于70°～80°之間,在本文試驗(yàn)中,當(dāng)焊縫位置超過(guò)78°時(shí),焊縫對(duì)圓柱產(chǎn)生的影響迅速減弱,其原因可能是由于焊縫位于圓柱原分離點(diǎn)后側(cè),因此流體漩渦脫落基本不受焊縫影響。

上述試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果吻合,DU等[13]基于二維同步測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn),測(cè)試了0°風(fēng)向角下帶人工水線的拉索圓柱模型氣動(dòng)力,將人工水線位置分為4個(gè)影響區(qū)域:亞臨界區(qū)域(0°～20°)、單側(cè)分離再附流區(qū)域(20°～60°)、增強(qiáng)的亞臨界區(qū)域(60°～90°)、亞臨界區(qū)域(90°及之后),試驗(yàn)結(jié)果表明:在單側(cè)分離流再附區(qū)域(20°～60°)和增強(qiáng)的亞臨界區(qū)域(60°～90°),平均升力以及升力均方根會(huì)發(fā)生顯著的增大或者減弱的現(xiàn)象。ALAM等[16]研究了帶雙絆線圓柱的尾流特征和氣動(dòng)力,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)絆線位置小于20°時(shí),帶絆線圓柱的氣動(dòng)力、尾流結(jié)構(gòu)與光滑圓柱基本一致。

2.3 焊縫對(duì)升力頻譜的影響

為了進(jìn)一步分析不同焊縫位置燈柱的流體渦脫特性,本文對(duì)帶焊縫和不帶焊縫的燈柱升力時(shí)程進(jìn)行了頻譜分析,頻譜分析采用快速傅里葉變換(FFT),升力時(shí)程通過(guò)周向壓力積分獲得。光滑圓柱以及A～E這5個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)的典型升力頻譜圖,如圖7所示。

圖7 不同焊縫位置的圓柱升力頻譜Fig. 7 Power spectra of lift forces for the cylinder with different positions of weld

由圖7(a)和(b)可知,當(dāng)焊縫位置在12°,即A區(qū)域(0°～18°)時(shí),燈柱氣動(dòng)特性受焊縫影響較小,升力頻譜幅值、St數(shù)與光滑圓柱工況基本一致,頻譜幅值約為0.4,St數(shù)為0.167。

由圖7(c)、(d)和(e)可知,當(dāng)焊縫位置在B區(qū)域(21°～33°)和C區(qū)域(36°～63°)時(shí),隨著焊縫角度的增加,升力頻譜的幅值逐漸降低,當(dāng)焊縫位置在54°時(shí),頻譜峰值約為光滑圓柱的0.5倍。升力頻譜的幅值可以用來(lái)評(píng)估流體卡門渦脫的強(qiáng)度,較低的頻譜幅值說(shuō)明焊縫抑制了流體渦脫。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)焊縫位置在B區(qū)域(21°～33°)和C區(qū)域(36°～63°)時(shí),升力頻譜的幅值顯著降低,焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)產(chǎn)生了明顯的抑制效果。

如圖7(f)和(g)所示,焊縫位置在D區(qū)域(63°～78°)時(shí)的升力頻譜,此時(shí)焊縫位置接近圓柱原分離點(diǎn),升力頻譜的峰值明顯高于光滑圓柱,說(shuō)明流體卡門渦脫被增強(qiáng),因此燈柱的渦激響應(yīng)也將隨之增大如圖7(f)和(g)所示。在D區(qū)域(63°～78°)內(nèi),圓柱的St數(shù)始終在0.166附近,與無(wú)焊縫工況基本一致,本文St數(shù)的變化與文獻(xiàn)[13]存在差異,試驗(yàn)沒(méi)有觀察到St數(shù)降低的現(xiàn)象,可能由于焊縫尺寸、雷諾數(shù)等差異造成。

如圖7(f)和(g)所示,當(dāng)焊縫位于E區(qū)域(81°～180°)時(shí),焊縫位于圓柱原分離點(diǎn)后側(cè),因此圓柱的卡門渦脫受焊縫影響較小,燈柱升力頻譜峰值和St數(shù)與光滑圓柱基本一致,如圖7(h)所示。

2.4 焊縫對(duì)燈柱壓力分布的影響及機(jī)理分析

本文計(jì)算了光滑圓柱以及10個(gè)典型焊縫位置圓柱的平均風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)壓均方根系數(shù),如圖8所示,分析焊縫對(duì)燈柱周向風(fēng)壓分布的影響。為方便比較風(fēng)壓均方根和平均風(fēng)壓隨焊縫位置的變化,圖8中將壓力均方根系數(shù)放大了-5.0倍,圖中紅色圓圈代表燈柱斷面,圓圈內(nèi)部的壓力系數(shù)為正值,圓圈外部的壓力系數(shù)為負(fù)值。由圖8可知,當(dāng)焊縫在不同位置時(shí),燈柱平均壓力系數(shù)和壓力系數(shù)均方根差異明顯。當(dāng)焊縫位置在18°(A區(qū)域)時(shí),燈柱平均壓力系數(shù)和壓力系數(shù)均方根基本呈對(duì)稱分布,燈柱表面壓力分布受焊縫影響較小,與光滑圓柱在亞臨界雷諾數(shù)區(qū)域的壓力分布(圖8(a))基本一致。

注: 圖中紅色圓圈代表燈柱斷面;灰色矩形代表焊縫圖8 不同焊縫位置燈柱的周向風(fēng)壓分布Fig. 8 Wind pressures on the circular cylinder with weld for different weld positions

當(dāng)焊縫位置在27°和30°(B區(qū)域)時(shí),燈柱壓力系數(shù)呈現(xiàn)不對(duì)稱分布,圓柱在焊縫一側(cè)出現(xiàn)較大的平均負(fù)壓,壓力均方根輕微增大,平均壓力系數(shù)在焊縫位置后側(cè)先顯著降低,隨后又迅速回升。當(dāng)焊縫位置在45°、51°和60°(C區(qū)域)時(shí),平均壓力系數(shù)在焊縫附近出現(xiàn),先顯著增大,然后迅速降低再緩慢回升的現(xiàn)象,平均負(fù)壓在60°焊縫位置達(dá)到最大。另外,壓力均方根在焊縫側(cè)出現(xiàn)2個(gè)明顯的峰值,第一個(gè)峰值在焊縫附近,其峰值的位置隨著焊縫角度的變化而變化,第二個(gè)峰值出現(xiàn)在約100°的位置,基本不隨焊縫位置發(fā)生改變。

通常認(rèn)為平均壓力系數(shù)不連續(xù)點(diǎn)附近或者脈動(dòng)壓力系數(shù)極值點(diǎn)附近為圓柱的漩渦脫落分離點(diǎn)[18],上述圓柱壓力分布結(jié)果表明:當(dāng)焊縫在C區(qū)域時(shí),可能存在分離再附現(xiàn)象,流體先在焊縫位置發(fā)生分離,形成分離再附泡附著在圓柱焊縫后側(cè)的表面,隨后在圓柱背風(fēng)面約100°位置再次發(fā)生分離,因此在圓柱焊縫側(cè)存在2個(gè)壓力系數(shù)均方根極值點(diǎn),平均壓力系數(shù)在焊縫后側(cè)也表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢(shì)。分離流的再附改變了圓柱原有的渦脫模式,圓柱卡門渦脫受到干擾,因此燈柱渦激振動(dòng)被抑制。上述現(xiàn)象與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致,如DU等[13]提出當(dāng)人工水線位于圓柱的30°～58°時(shí),帶人工水線圓柱的壓力分布與臨界雷諾數(shù)圓柱的壓力分布類似,在圓柱上水線位置發(fā)生分離的自由剪切層中存在層流-紊流的轉(zhuǎn)捩,可能導(dǎo)致分離泡的形成。

當(dāng)焊縫位置在72°,75°,78°(D區(qū)域)時(shí),隨著焊縫角度的增加,焊縫后側(cè)的平均負(fù)壓逐漸減小,平均風(fēng)壓逐漸呈對(duì)稱分布。與此同時(shí),風(fēng)壓均方根在圓柱焊縫附近僅出現(xiàn)單個(gè)較大的極值點(diǎn),且分離點(diǎn)保持在焊縫附近,表明圓柱的分離再附現(xiàn)象消失,流體在焊縫位置直接發(fā)生渦脫,同時(shí)較大的風(fēng)壓均方根說(shuō)明燈柱渦激振動(dòng)被增強(qiáng)。在D區(qū)域范圍內(nèi),焊縫位置接近圓柱原分離點(diǎn),由于流體無(wú)法提供足夠的動(dòng)能,流體在焊縫處直接發(fā)生分離,不再形成分離再附泡,與此同時(shí),圓柱焊縫側(cè)的風(fēng)壓均方根顯著提高,燈柱表現(xiàn)為渦激振動(dòng)增強(qiáng)的形式。另一方面,由于焊縫的存在,使燈柱的分離點(diǎn)沿高度保持一致,其展向相關(guān)性增強(qiáng),因此渦激振動(dòng)也可能被增強(qiáng)。

當(dāng)焊縫位置在81°及之后(E區(qū)域),此時(shí)焊縫位于圓柱分離點(diǎn)后側(cè),焊縫對(duì)圓柱壓力分布影響較小,圓柱壓力分布模式與亞臨界雷諾數(shù)的光滑圓柱基本一致。

2.5 焊縫尺寸對(duì)燈柱氣動(dòng)性能的影響

由于實(shí)際燈柱焊接的加工誤差,各燈柱的焊縫尺寸不同,由此可能導(dǎo)致燈柱的氣動(dòng)性能的差異。為進(jìn)一步研究焊縫尺寸的影響,本文選取了3種不同尺寸的焊縫(A、B、C)進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn),焊縫尺寸分別為8 mm×3 mm、4 mm×1 mm和4 mm×5 mm,如圖9所示。由圖可知,當(dāng)焊縫位于光滑圓柱的分離點(diǎn)前面時(shí),燈柱的氣動(dòng)性能受到較大的影響,因此本文測(cè)試了3種焊縫在0°～90°范圍內(nèi)的圓柱壓力周向分布,通過(guò)積分獲得平均氣動(dòng)力系數(shù),并與平均焊縫尺寸的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖9 焊縫尺寸示意圖Fig. 9 Size of weld model

圖10 不同焊縫尺寸對(duì)平均升力系數(shù)的影響Fig. 10 Influence of different sizes of weld on mean life force coefficients圖11 不同焊縫尺寸對(duì)平均阻力系數(shù)的影響Fig. 11 Influence of different sizes of weld on mean drag force coefficients

由圖10和圖11可知,當(dāng)焊縫在0°～20°范圍內(nèi),平均升力系數(shù)和阻力系數(shù)變化均趨于平緩,與光滑圓柱基本一致。當(dāng)焊縫在20°～40°區(qū)域內(nèi),平均升力系數(shù)顯著提高,平均阻力系數(shù)降低,對(duì)于焊縫B工況,其焊縫尺寸最小,平均阻力系數(shù)下降最明顯,在約40°位置達(dá)到最小值0.8。當(dāng)焊縫在40°～65°位置,平均阻力系數(shù)緩慢回升,幾種工況測(cè)得的平均阻力系數(shù)較為接近,但是平均升力系數(shù)在該區(qū)域內(nèi)存在較大差異,其中焊縫B工況與平均焊縫工況的升力系數(shù)基本一致,在0.6～0.8范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng),而焊縫A和焊縫C工況,由于焊縫厚度較大,升力系數(shù)先發(fā)生平穩(wěn)的波動(dòng),隨后顯著增大,在約65°位置達(dá)到最大值。當(dāng)焊縫在65°～90°范圍內(nèi),焊縫對(duì)燈柱氣動(dòng)性能的作用效果開(kāi)始減弱,氣動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值開(kāi)始趨近于光滑圓柱狀況,但是各焊縫工況的變化速度以及變化范圍存在一定差異。另外,幾種焊縫工況測(cè)得的平均升力系數(shù)均存在明顯的升力負(fù)斜率現(xiàn)象,其斜率基本保持一致。

試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于本文研究的燈柱,不同尺寸的焊縫,燈柱的平均氣動(dòng)力系數(shù)的隨焊縫位置的變化規(guī)律基本一致,但是平均氣動(dòng)力系數(shù)的變化范圍以及最大值和最小值會(huì)發(fā)生改變,焊縫B(4 mm×1 mm)在40°位置具有最小平均阻力系數(shù),焊縫C(4 mm×5 mm)在65°位置具有最大平均升力系數(shù),燈柱氣動(dòng)力系數(shù)的差異可能會(huì)改變其渦激振動(dòng)風(fēng)速區(qū)間以及幅值的大小,但不會(huì)改變其影響規(guī)律。

3 結(jié)論

本文以某實(shí)橋燈柱渦激振動(dòng)現(xiàn)象為研究背景,通過(guò)剛性測(cè)壓節(jié)段模型研究了燈柱的氣動(dòng)特性以及焊縫對(duì)燈柱渦激振動(dòng)的影響機(jī)理,主要結(jié)論如下:

1) 帶焊縫燈柱的氣動(dòng)特性受焊縫影響顯著,不同的焊縫位置可以增強(qiáng)或者抑制燈柱的渦激振動(dòng)。當(dāng)焊縫位置在B區(qū)域(21°～33°)和C區(qū)域(36°～63°)時(shí),焊縫對(duì)燈柱的渦激振動(dòng)產(chǎn)生抑制效果。當(dāng)焊縫在D區(qū)域(63°～78°)時(shí),焊縫對(duì)燈柱的渦激振動(dòng)產(chǎn)生增強(qiáng)效果。當(dāng)焊縫位于燈柱前駐點(diǎn)附近或者原分離點(diǎn)后側(cè)時(shí),燈柱氣動(dòng)特性受焊縫影響較小,此時(shí)燈柱的氣動(dòng)特性與亞臨界雷諾數(shù)的光滑圓柱基本一致。

2) 不同的焊縫位置可以激發(fā)不同的流動(dòng)模式,當(dāng)焊縫位置在B區(qū)域(21°～33°)和C區(qū)域(36°～63°)時(shí),平均風(fēng)壓在焊縫附近先增大然后迅速降低再緩慢回升,燈柱的升力顯著增大,阻力輕微降低,流體在焊縫附近發(fā)生分離再附現(xiàn)象,流體先在焊縫位置發(fā)生分離然后附著在焊縫后側(cè)表面上,隨后在圓柱100°位置再次發(fā)生分離,原有的卡門渦脫受到干擾,渦脫強(qiáng)度降低,因此燈柱的渦激振動(dòng)被抑制。

3) 當(dāng)焊縫在D區(qū)域(63°～78°)時(shí),流體分離再附現(xiàn)象消失,流體在焊縫位置直接渦脫,平均壓力系數(shù)基本呈對(duì)稱分布,燈柱的升力迅速降低、阻力逐漸回升,圓柱焊縫側(cè)的脈動(dòng)風(fēng)壓和卡門渦脫強(qiáng)度的顯著提高,使燈柱渦振響應(yīng)增強(qiáng)。另一方面,焊縫對(duì)燈柱展向分離點(diǎn)的修正,也可能進(jìn)一步增大燈柱的渦激振動(dòng)。

4) 對(duì)于本文研究的燈柱,焊縫尺寸的變化不會(huì)改變燈柱的氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律,但是會(huì)影響氣動(dòng)力系數(shù)的最大/小值以及變化角度區(qū)間,由此可能改變燈柱渦激振動(dòng)的風(fēng)速區(qū)間和振動(dòng)幅值,建議對(duì)實(shí)橋燈柱的焊縫進(jìn)行打磨處理,降低風(fēng)致振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)帶焊縫的圓燈柱氣動(dòng)特性開(kāi)展了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,研究了燈柱氣動(dòng)特性以及焊縫影響機(jī)理。僅對(duì)燈柱開(kāi)展了靜力節(jié)段模型試驗(yàn),沒(méi)有開(kāi)展同步測(cè)振測(cè)壓試驗(yàn),同時(shí)試驗(yàn)無(wú)法直觀的觀察燈柱周圍流場(chǎng)的變化,在后續(xù)工作中將開(kāi)展進(jìn)一步的研究。