湍流作用下不同宽高比流线型箱梁的气动力特性与抖振响应研究

作     者：肖曌 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张亮亮

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：宽高比 湍流特性 流线型箱梁 CFD 气动力特性 抖振响应 

摘      要：流线型箱梁作为大跨度桥梁结构的典型主梁类型,在大气边界层湍流风场中易发生风致振动,湍流特性和宽高比对其在风场中的稳定有较大的影响。湍流的不同脉动分量对气动力特性有不同的影响,然而以往的研究受限于实验技术,不能将不同分量的作用进行区分,本文利用CFD方便控制湍流风场特性的优点,产生仅包含顺风向分量的湍流场,以分离不同湍流分量效应。此外,目前宽高比对主梁气动力特性的影响研究主要集中在风洞试验和二维数值模拟,然而风洞试验难以进行流场可视化研究,二维数值模拟忽略了流场空间分布特性,而且关于主梁宽高比对桥梁抖振响应的影响尚未明确。因此本文采用流体仿真软件FLUENT系统地研究了纵向湍流强度、纵向湍流积分尺度和宽高比对流线型箱梁三维气动力特性的影响,并采用ANSYS Mechanical有限元分析软件进一步探究了主梁宽高比对湍流作用下大跨度悬索桥抖振响应的影响。主要研究内容和结果如下:(1)通过三维大涡模拟(3D-LES)结合DSRFG(Discretizing and Synthesizing Random Flow Generation)入口湍流生成方法研究了纵向湍流强度和湍流积分尺度对流线型箱梁气动力特性的影响。纵向湍流强度越大,流线型箱梁的三分力系数和展向相关性越大,相对于纵向湍流积分尺度,其对湍流强度的变化更加敏感。湍流作用下主梁尾流出现“2S旋涡交替脱落现象并且在攻角为4°的工况表面出现流动分离现象,而在均匀流中均未发现该现象。随着纵向湍流强度增大,主梁周围的分离泡和旋涡数量增多,上表面分离区长度增加,尾流旋涡脱落间距减小。纵向湍流积分尺度增大,主梁表面分离泡变厚、尾流旋涡变大。(2)通过上述同样的方法,研究了湍流作用下宽高比对流线型箱梁气动力特性的影响。宽高比越大流线型箱梁的三分力系数和气动力展向相关性越大,风攻角越大其对宽高比的变化越敏感。小攻角(α≤4°)情况下,宽高比增大会抑制主梁周围的流动分离现象。当攻角大于4°,随着宽高比增大,主梁上表面分离泡变厚,主梁尾流正负旋涡相位差增加。在三维流域空间中,宽高比越大,主梁尾流旋涡的展向连续性越好,尾流旋涡间距越短,尾流能量耗散速度越快。(3)基于ANSYS有限元分析软件建立了三座不同宽高比主梁的大跨度悬索桥模型,根据(2)中计算得到的相关参数,利用谐波合成法生成三维湍流风场,开展了抖振响应时域分析,研究了湍流作用下主梁宽高比对大跨度悬索桥抖振响应的影响。随着主梁宽高比减小,悬索桥的抖振响应越剧烈。宽高比对主梁的竖向抖振位移影响最大,扭转位移次之,横向位移影响最小。