基于Overset Mesh典型桥梁断面涡激振动数值模拟

发布时间：2020-11-05 07:31

　　 随着科学技术的发展,计算流体动力学CFD数值模拟方法逐渐成为了研究涡激振动问题的重要手段,但目前的涡激振动数值模拟研究大都是对于简单断面如圆柱、方柱等,对于桥梁断面的涡激振动数值研究较少且误差较大,所以研究如何利用CFD数值模拟计算桥梁工程涡激振动且能得到较为精确结果是非常有必要的。本文以Fluent软件为研究工具,采用了一种新型网格划分方法Overset网格模型,编写了基于Newmark-β法的求解二维单自由度竖向涡激振动问题的UDF程序,进行了如下工作。首先,以宽高比为4的矩形断面为研究对象,分别建立Overset网格模型和传统网格模型,进行静止绕流与涡激振动数值模拟,两种网格模型都取得了与试验相吻合的结果,验证了自编程序UDF的准确性;又从斯托罗哈数St、平均阻力系数Cd、涡振锁定区间、位移比y_(max)/D等对比了两种网格模型的计算结果,得到了Overset网格模型涡激振动数值计算的结果较传统网格模型更为精确和可靠。然后,再对主梁断面为箱梁和П形梁的淮安大桥、双河大桥进行了三分力数值模拟和涡激振动数值模拟,分别与风洞试验结果进行对比,得到Overset网格模型数值计算对典型桥梁断面的适用性。最后,根据Overset网格模型对箱梁断面数值计算的适用性,研究了箱形断面自身气动外形宽高比b/h和斜腹板倾角α对其涡激振动的影响,得到了其影响规律,为今后在设计箱形断面桥梁时提供参考。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U441.3
【部分图文】：

涡激振动作为一种比较奇特且有趣的振动现象在很久以前就引发人们的关注，如犹太教的古文献所记录：大卫国王听到了多弦琴在微风吹拂下振动发出的优美琴声[1]。但由于科学技术等的限制，风致振动如涡振、颤振等现象并未引起人们足够重视。直到 1940年美国新建的 Tacoma 桥在 18.8m/s 风的作用下发生强烈的风致振动，致使该桥发生垮塌事故，由此逐步引发了工程师们对风致振动现象的关注。且新世纪以来，我国的经济建设与科技发展都取得了巨大的进步，土木工程师们开始充分利用新技术新材料，桥梁设计也越来越追求跨度大、刚度柔和低阻尼结构，使得桥梁结构越容易发生风致振动，即大跨和超大跨桥梁结构的刚度、强度及稳定性抗风设计都受到结构气动弹性因素的制约。对于跨度较大的悬索桥和斜拉桥，其主梁、拉索和主塔都有可能发生振幅超过规范限值的涡振；对于跨度较大的拱桥，其吊杆等构件也都可能发生大幅涡振。已建成运营的大跨度桥梁，如英国的 Second Severn 桥（图 1.1）和舟山的桃夭门大桥（图 1.2）都曾发生大幅涡激振动[2,3]。因此涡激振动问题是桥梁风工程领域需要解决的一个难题。

---来流平均风速斯托罗哈数随着结构截面形状的不同而不同。对于圆柱或其它具有圆弧形表面的结构，斯托罗哈数会随着雷诺数的变化而发生改变。图1.3列出了典型截面的斯托罗哈数。

图 1.4 涡振锁定现象示意图 的公式为： = 意义与前式相同。从该式可以看出：涡脱频率 与风速 成会发生涡脱频率与结构固有频率接近或相等的情况。而结构脱落，致使在很长的风速区间，振动频率控制了涡脱频率，脱落的强度和相应的脉动力也会增大，且由于锁定现象的发变大。国内外试验研究现状相对复杂的振动现象，其影响因素众多，如结构气动外形、涡激力模型可以准确表达涡振现象和计算其响应，所以风洞法，并且几乎所有的结构断面都通过风洞试验研究过。种典型断面，工程应用广泛，如拉索、拱桥吊杆、海洋工程
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 胡长灿;詹昊;;大跨度桥梁抗风设计常用气动措施分析[J];桥梁建设;2015年02期

2 曹淑刚;黄维平;顾恩凯;;考虑流固耦合的弹性圆柱体涡激振动研究[J];振动与冲击;2015年01期

3 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

4 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

5 何晗欣;李加武;周建龙;;中央开槽箱形断面斜拉桥的涡激振动试验与分析[J];桥梁建设;2012年02期

6 董婧;宗智;李章锐;孙雷;陈伟;;两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟[J];船舶力学;2012年Z1期

7 刘志文;周帅;陈政清;;宽高比为4的矩形断面涡激振动响应数值模拟[J];振动与冲击;2011年11期

8 许福友;丁威;姜峰;张哲;;大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望[J];振动与冲击;2010年10期

9 许福友;林志兴;李永宁;楼文娟;;气动措施抑制桥梁涡振机理研究[J];振动与冲击;2010年01期

10 白桦;胡兆同;胡庆安;;塔桅结构三维定常风场风洞试验及数值模拟[J];建筑科学与工程学报;2008年01期

相关博士学位论文 前1条

1 田书玲;基于非结构网格方法的重叠网格算法研究[D];南京航空航天大学;2008年

相关硕士学位论文 前3条

1 王方亮;典型钝体主梁断面涡激振动特性研究[D];长安大学;2014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 傅强;海洋输液立管动力特性及涡激振动响应理论研究[D];中国海洋大学;2004年

本文编号：2871323