临界雷诺数区光滑圆柱气动力特性研究

发布时间：2020-04-01 12:38

【摘要】：工程中存在大量的圆形断面细长结构,其常在强风下发生大幅振动,这类结构在发生大幅振动时,其雷诺数常进入临界区,因此,临界雷诺数区是影响细长圆柱结构气动不稳定性的重要因素之一。在细长圆柱的风荷载测试中,由于风洞尺寸的限制,常常采用不同长细比的试验模型进行测试,因此,长细比是影响该类结构气动力测试结果的重要试验参数之一。本文采用刚性模型测压试验以及弹性悬挂同步测压、测振风洞试验,研究了长细比对圆柱气动力特性的影响以及圆柱在临界雷诺数区的静态与动态气动力分布特性,主要包括以下几个方面:(1)长细比对光滑圆柱气动力特性的影响。分析了亚临界、临界区及超临界区不同长细比圆形断面柱体中心局部气动力及风压分布随长细比的变化规律。(2)光滑圆柱在临界雷诺数区静态气动力分布的三维特性。主要对不同雷诺数下圆柱沿展向不同横断面处的流动状态、旋涡脱落过程以及脉动压力等方面分析了其三维性。(3)光滑圆柱在临界雷诺数区动态气动力分布特性。着重分析了在临界区光滑圆柱发生大幅振动时的动态气动力分布特性,并对临界区圆柱发生大幅振动的原因进行了分析。通过对试验结果分析,得出了以下几个主要结论:(1)在亚临界与超临界区,对于采用4倍直径端板的有限长度圆柱模型,跨中气动力特性随着长细比的变化规律并不连续;在临界区,在一定的雷诺数范围内,圆柱跨中的气动力试验结果受长细比的影响较小,并呈现出较强的三维特性;(2)光滑圆柱在临界区静态气动力分布的三维特性主要表现是:圆柱沿展向不同位置处的旋涡脱落过程、脉动风压强度以及流动状态等方面表现出的差异性;(3)细长圆柱体结构在临界区发生风致大幅振动的原因是光滑圆柱一侧产生分离泡,并引起较大的平均升力,其沿展向不同位置处分离泡范围内的脉动风压强弱程度也是重要的影响因素之一。
【图文】：

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路灯柱等。以斜拉索为例，其在桥梁建设中被设中，斜拉索长度变得越来越大，如苏通大桥斜这类结构在风荷载作用下常常发生大幅振动，例的斜拉索先后三次在风荷载的作用下发生剧烈振；2001 年，洞庭湖大桥的斜拉索在风、雨的共同幅超过 0.4 m[2]；1997 年，杨浦大桥的尾索发生m[3]；同年，Brottonne 桥（法国）也观察到斜拉索6 m[4]；这些振动也导致巨大的工程事故，例如 1建成通车后不久，其斜拉索发生剧烈振动，因此济损失[5]；2005 年，日本的 Sun bridge 桥长度为 1 的风荷载作用下发生了剧烈振动，其振幅估计可着聚乙烯材料发生破坏，并且拉索底部连接的粘主梁的连接处也发生了不同程度的破坏，见图 1称，发生振动时天气有雾霾，并未下雨，因此，[6]。

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在临界雷诺数区的流动特性表现出与亚临界不同的流动特性，并表现出不同的气动力特性，，国内外众多学者及专家对此展开了一系列研究：Zdravkovich[12]根据光滑圆柱在临界区流动特性将临界区划分为三个区域：（1）预临界区，即 TrBL0 流域，在这一区域阻力系数逐渐下降，并且随雷诺数的增大，分离点逐渐向下游移动，（2）单分离泡区域，即 TrBL1 流域，在这一区域，圆柱一侧发生边界层转捩，（3）双分离泡区域，即 TrBL2 流域，这一区域风压分布曲线呈对称分布；刘庆宽等[13]指出圆柱在由亚临界状态进入临界雷诺数状态后，圆柱模型周围流场由周期的对称的卡门涡脱落，转变为圆柱一侧产生一个非对称的气泡，并且其由临界雷诺数状态进入超临界状态后，在圆柱两侧产生了对称的气泡，如图 1-2（a）及（b）所示。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU312.1

【参考文献】