断面细节对近流线型箱梁气动力特性的影响研究

发布时间：2017-10-20 19:55

  本文关键词：断面细节对近流线型箱梁气动力特性的影响研究

  更多相关文章： 近流线型箱梁 断面细节 涡激振动 静力三分力 动网格

【摘要】：近流线型的宽体式扁平钢箱梁近年来被广泛应用于大跨径悬索桥,大大缓解了交通压力,成为公路桥梁发展的新趋势。本文基于国家自然科学基金面上项目“三峡库区跨江桥梁宽体式扁平钢箱梁气动特性及风致振动研究”(项目号:51578098),研究了主梁高宽比达1/12的近流线型箱梁的气动静力系数与涡激振动特性。首先进行了1:60节段模型测力试验,获取了各工况在-12°~+12°攻角下的静力三分力系数。在CFD工程软件Fluent 15.0中对代表工况进行二维稳态求解,通过对比各工况静态绕流场的差异,归纳出气动静力系数随断面细节变化的微观机理。然后进行了同比例模型的涡振试验,检验各工况是否发生涡激振动,并记录竖弯、扭转涡振的起振风速、锁定区间及最大振幅,并对振幅时程进行快速傅里叶变换(FFT)得到其频谱。编制两自由度的UDF程序以Newmark-β法求解竖向、扭转响应,结合动网格技术,在Fluent 15.0中对代表性工况的涡振响应进行了二维瞬态求解。通过对比尾流涡脱形态,结合频谱分析,对断面细节影响涡激振动特性的机理进行阐述。主要研究内容及成果如下:1、攻角对静力三分力系数的影响取决于于流动分离位置与强度的变化。攻角对涡振性能的影响机理在于竖弯、扭转基频的卓越程度及尾流涡脱形态的转捩。2、研究了护栏透风率对静力三分力系数与涡振特性的影响;护栏透风率对三分力系数的影响机理在于流动分离点、再附点的移动及正压、负压区范围的变化,且正、负攻角下的影响情况存在差异。另一方面,竖弯、扭转涡振响应均随护栏透风率的减小而加强,前者由尾流涡脱逐渐形成“2S”形态所致,后者由迎风端与断面中部的上/下两对漩涡快速发展所致。3、研究了人行护栏位置对涡振特性的影响;随人行护栏内移,竖弯涡振响应降低,扭转涡振响应加强;前者由尾流涡脱从“2S”退化为“S”形态所致,后者由上表面迎风端漩涡的快速发展引起。4、研究了检修车轨道位置对静力三分力系数与涡振特性的影响;随检修车轨道内移,三分力系数在正攻角下降低,在负攻角下无显著波动。另一方面,竖弯、扭转涡振响应均随检修车轨道的内移而降低,前者由尾流涡脱削弱所致,后者受制于下表面迎风端涡脱的削弱。5、研究了桥面粗糙度对静力三分力系数与涡振特性的影响;桥面粗糙度对三分力系数的影响机理在于流动分离范围及表面压力的变化,且正、负攻角下的影响情况存在差异。另一方面,随桥面粗糙度的提高,断面的竖向、扭转基频均出现微小波动,大攻角下的竖向、扭转涡振响应均降低,小攻角与负攻角下的竖向、扭转涡振响应均升高。
【关键词】：近流线型箱梁 断面细节 涡激振动 静力三分力 动网格
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.3
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-14
• 主要符号14-15
• 1 绪论15-29
• 1.1 选题背景15-17
• 1.2 风对桥梁的作用17-20
• 1.2.1 静力作用17-18
• 1.2.2 动力作用18-20
• 1.2.3 大跨度桥梁事故20
• 1.3 国内外研究现状20-25
• 1.3.1 气动静力系数的研究方法与研究现状20-21
• 1.3.2 近流线型箱梁气动静力系数的研究现状21-22
• 1.3.3 涡激振动的研究方法与研究现状22-24
• 1.3.4 近流线型箱梁涡激振动特性的研究现状24-25
• 1.4 本文的研究意义与目的25-26
• 1.4.1 断面细节对气动静力系数的影响25-26
• 1.4.2 断面细节对涡激振动特性的影响26
• 1.5 本文的主要内容与技术路线26-29
• 2 理论基础29-41
• 2.1 CFD基本理论29-32
• 2.1.1 流体动力学控制方程29-30
• 2.1.2 离散格式30-31
• 2.1.3 湍流模型31-32
• 2.1.4 边界条件32
• 2.2 气动静力系数及其CFD计算32-34
• 2.2.1 静力三分力系数32-33
• 2.2.2 静力三分力系数的CFD计算33-34
• 2.3 涡激振动理论及其CFD计算34-39
• 2.3.1 涡激振动理论34-35
• 2.3.2 动网格原理35
• 2.3.3 Fluent二次开发接口UDF35-36
• 2.3.4 Newmark-β 法求解涡激振动响应36-38
• 2.3.5 CFD计算流程38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 3 断面细节对近流线型箱梁气动静力系数的影响41-61
• 3.1 工程及试验概况41-42
• 3.1.1 工程概况41
• 3.1.2 节段模型及试验参数41-42
• 3.2 CFD数值模拟42-45
• 3.2.1 求解设置42
• 3.2.2 计算域及网格划分42-45
• 3.3 攻角的影响45-49
• 3.3.1 试验结果45-47
• 3.3.2 影响机理47-49
• 3.4 人行护栏透风率的影响49-53
• 3.4.1 试验结果49-51
• 3.4.2 影响机理51-53
• 3.5 检修车轨道位置的影响53-55
• 3.5.1 试验结果53-54
• 3.5.2 影响机理54-55
• 3.6 桥面粗糙度的影响55-59
• 3.6.1 试验结果55-57
• 3.6.2 影响机理57-59
• 3.7 本章小结59-61
• 4 断面细节对近流线型箱梁涡激振动特性的影响61-111
• 4.1 工程及试验概况61-66
• 4.1.1 工程概况61
• 4.1.2 动力特性计算61-65
• 4.1.3 节段模型及试验参数65-66
• 4.2 CFD求解涡激振动66-69
• 4.2.1 求解设置66-67
• 4.2.2 计算域及网格划分67-69
• 4.3 攻角的影响69-78
• 4.3.1 试验结果70-72
• 4.3.2 静态绕流场72-73
• 4.3.3 峰值响应点时程及频谱73-78
• 4.3.4 小结78
• 4.4 单个振动周期内的尾流涡脱形态78-82
• 4.4.1 竖向涡振响应78-80
• 4.4.2 扭转涡振响应80-81
• 4.4.3 小结81-82
• 4.5 典型涡振区的特征点频谱82-84
• 4.5.1 竖向涡振区间82-83
• 4.5.2 扭转涡振区间83-84
• 4.5.3 小结84
• 4.6 人行护栏透风率的影响84-91
• 4.6.1 试验结果84-86
• 4.6.2 竖向涡振响应影响机理86-88
• 4.6.3 扭转涡振响应影响机理88-91
• 4.6.4 小结91
• 4.7 人行护栏位置的影响91-97
• 4.7.1 试验结果91-93
• 4.7.2 竖向涡振响应影响机理93-94
• 4.7.3 扭转涡振响应影响机理94-96
• 4.7.4 小结96-97
• 4.8 检修车轨道位置的影响97-102
• 4.8.1 试验结果97-98
• 4.8.2 竖向涡振响应影响机理98-100
• 4.8.3 扭转涡振响应影响机理100-102
• 4.8.4 小结102
• 4.9 桥面粗糙度的影响102-108
• 4.9.1 试验结果102-105
• 4.9.2 竖向涡振响应影响机理105-106
• 4.9.3 扭转涡振响应影响机理106-107
• 4.9.4 小结107-108
• 4.10 本章小结108-111
• 5 结论与展望111-115
• 5.1 全文总结111-112
• 5.2 本文创新点112-113
• 5.3 今后研究展望113-115
• 致谢115-117
• 参考文献117-125
• 附录125-129
• A:作者攻读硕士学位期间发表的学术论文125-126
• B:作者攻读硕士学位期间参与的科研项目126-127
• C:动网格的部分源程序127-129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 祝志文;;基于二维RANS模型计算扁平箱梁漩涡脱落的可行性分析[J];中国公路学报;2015年06期

2 李春光;陈政清;韩阳;;带悬挑人行道板流线型箱梁涡振性能研究[J];振动与冲击;2014年24期

3 秦浩;廖海黎;李明水;;大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究[J];振动与冲击;2014年14期

4 马建;孙守增;杨琦;赵文义;王磊;马勇;刘辉;张伟伟;陈红燕;陈磊;康军;;中国桥梁工程学术研究综述·2014[J];中国公路学报;2014年05期

5 管青海;李加武;胡兆同;刘健新;;栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响研究[J];振动与冲击;2014年03期

6 王骑;林道锦;廖海黎;孙延国;;分体式钢箱梁涡激振动特性及制振措施风洞试验研究[J];公路;2013年07期

7 喻梅;廖海黎;李明水;马存明;刘明;;大跨度桥梁斜风作用下抖振响应现场实测及风洞试验研究[J];实验流体力学;2013年03期

8 吴庆雄;黄宛昆;陈宝春;;中、下承式钢管混凝土拱桥车振调查与动力分析[J];工程力学;2013年01期

9 王向阳;宋宏敏;熊锐;;桥梁断面形式对三分力系数影响的数值研究[J];公路;2012年12期

10 马麟;韩万水;吉伯海;史国刚;刘健新;;实际交通流作用下的车-桥耦合振动研究[J];中国公路学报;2012年06期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 马凯;;典型桥梁断面静力三分力系数研究[A];第二十一届全国桥梁学术会议论文集(下册)[C];2014年

2 李永君;葛耀君;杜柏松;;大跨度桥梁广义非线性涡振模型及其试验研究[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年

3 杜柏松;葛耀君;李永君;;桥梁断面涡激振动的尾流测试方法[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 赖马树金;大跨度悬索桥分离式双箱梁涡激振动研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 周帅;柔性桥梁涡振幅值与软驰振曲线预测方法研究[D];湖南大学;2013年

3 陈练;气候变暖背景下中国风速（能）变化及其影响因子研究[D];南京信息工程大学;2013年

4 刘明;沿海地区风场特性实测分析与大跨度桥梁抖振响应研究[D];西南交通大学;2013年

5 胡俊;大跨度悬索桥现场实测数据、风雨激励响应及风振疲劳研究[D];大连理工大学;2012年

6 王骑;大跨度桥梁断面非线性自激气动力与非线性气动稳定性研究[D];西南交通大学;2011年

7 徐枫;结构流固耦合振动与流动控制的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2009年

8 韩万水;风—汽车—桥梁系统空间耦合振动研究[D];同济大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 朱荣f;风振对大跨度悬索桥稳定性的影响及处理方法[D];重庆交通大学;2013年

2 郭春平;近流线型断面涡激振动数值模拟[D];长安大学;2012年

3 周帅;基于FLUENT的大跨度双幅桥面桥梁气动干扰性能研究[D];湖南大学;2010年

4 高亮;桥梁断面三分力系数试验研究[D];长安大学;2010年

5 赵凯;风—汽车—桥梁系统耦合振动分析及程序设计[D];西南交通大学;2010年

6 刘钥;连续刚构桥梁的气动性能数值模拟研究[D];湖南大学;2009年

7 代彤;重庆石板坡长江大桥加宽的可行性研究[D];重庆大学;2005年

，

本文编号：1069049