大跨度橋梁斜拉索風(fēng)致振動邊界層仿生控制研究

隨著現(xiàn)代橋梁跨度的不斷增大，斜拉索變得越來越柔，其阻尼也不斷降低，極易發(fā)生風(fēng)致振動。本項目開展基于仿生的行波壁主動流動控制方法的研究，對拉索風(fēng)致振動進(jìn)行控制，并研究該方法的控制機理。具體研究成果如下： 第一，本項目通過采用智能材料/MEMS技術(shù)來集成行波壁仿生控制系統(tǒng)，選取了兩種智能材料驅(qū)動器：一種是壓電陶瓷驅(qū)動器，一種是離子聚合物金屬復(fù)合材料IPMC驅(qū)動器；并且對壓電陶瓷驅(qū)動器集成的行波壁仿生系統(tǒng)進(jìn)行了流動控制的風(fēng)洞試驗，研究了該系統(tǒng)的流動控制效果。同時對制備好的IPMC驅(qū)動器的驅(qū)動位移進(jìn)行了測試，結(jié)果表明IPMC驅(qū)動器較壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動位移大10倍左右，并且所需電壓幅值比壓電陶瓷驅(qū)動器低很多。同樣還利用多個IPMC驅(qū)動器集成了行波壁仿生控制系統(tǒng)。 第二，采用CFD數(shù)值模擬方法完成了圓柱繞流-渦激振動-行波壁流動控制全過程的數(shù)值模擬，重點研究了行波壁流動控制方法對低雷諾數(shù)下兩自由度彈性支撐單圓柱渦激振動的抑制作用。詳細(xì)分析了各階段的圓柱橫向和流向位移、質(zhì)心運動軌跡、升力和阻力系數(shù)等隨頻率比的變化。結(jié)果表明：行波壁圓柱的波谷處可以產(chǎn)生一系列穩(wěn)定的隨行波壁運動的小尺度旋渦，有效抑制圓柱表面分離渦的產(chǎn)生，達(dá)到消除圓柱繞流尾跡和抑制渦激振動的目的；在計算初始和中途啟動的行波壁均顯著地抑制了圓柱的橫向和流向振動；行波壁流動控制方法顯著降低了圓柱升力系數(shù)脈動值和阻力系數(shù)均值，但阻力系數(shù)的脈動值則顯著增大。 第三，采用行波壁對圓柱繞流場的旋渦脫落抑制進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，通過風(fēng)洞試驗驗證該方法的可行性以及控制機理。行波的波幅為2.03mm，每個行波壁的波數(shù)為4。來流風(fēng)速分別為3.0，6.0和9.1m/s，對應(yīng)的行波壁速度比分別為as [0-0.506]，[0-0.253]和[0-0.167]。結(jié)果表明，速度比必須超過臨界值，行波壁才能表現(xiàn)較好的控制效果，當(dāng)行波壁控制時，整個尾流被抑制，旋渦脫落強度減弱，從而使得尾流變窄，阻力減小。尾流頻率分析表明，當(dāng)行波壁控制時，在尾流頻率中不僅有旋渦脫落的頻率，亦有行波干擾的頻率。最后提出兩種行波壁的兩種控制機理：“強迫擾動”和“共振擾動”機理?！皬娖葦_動”機理是當(dāng)速度比超過一定臨界值之后，行波壁表現(xiàn)較好的控制效果；而“共振擾動”機理是本項目新發(fā)現(xiàn)和提出的一種控制機理，是指行波頻率和渦脫頻率接近時，行波壁體現(xiàn)出較好的控制效果。 2100433B

本項目研究大跨度橋梁斜拉索渦激振動與風(fēng)雨激振繞流場邊界層行波壁仿生控制。首先采用智能材料/MEMS技術(shù)，集成斜拉索-行波壁仿生控制系統(tǒng)，建立該系統(tǒng)行波壁仿生控制的力電模型；通過模型風(fēng)洞實驗，實現(xiàn)斜拉索渦激振動與風(fēng)雨激振行波壁仿生控制，分析行波壁關(guān)鍵控制參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律；建立網(wǎng)格自適應(yīng)與網(wǎng)格局部重構(gòu)相結(jié)合的混合動網(wǎng)格技術(shù)，實現(xiàn)行波壁控制系統(tǒng)-斜拉索（節(jié)段模型與柔性索模型）渦激振動與風(fēng)雨激振CFD數(shù)值模擬，分析斜拉索繞流場及振動控制效果的變化規(guī)律；從斜拉索振動特性、氣動力特性、邊界層流態(tài)、繞流場分形特征及斜拉索振動與流場之間能量交換的轉(zhuǎn)變規(guī)律等五個性能指標(biāo)，揭示行波壁對斜拉索風(fēng)致振動繞流場邊界層流動的控制機理，分析斜拉索振動特性、氣動力特性、邊界層流態(tài)、繞流場分形特征及斜拉索振動與流場之間能量交換臨界轉(zhuǎn)變點及對應(yīng)的控制參數(shù)。本項研究將為大跨度橋梁斜拉索風(fēng)致振動控制提供嶄新的方法和系統(tǒng)。

橋梁風(fēng)致振動的經(jīng)典理論體系是在40年代－70年代發(fā)展起來的。主要適用于懸索橋結(jié)構(gòu)。80年代以來作了一些改進(jìn)，使之基本適用于斜拉橋的抗風(fēng)研究。但是經(jīng)典抗風(fēng)理論已越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并且也出現(xiàn)了一些新的抗風(fēng)課題。因此，有必要開展能適用于現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動與控制的現(xiàn)代理論體系研究?，F(xiàn)代理論的核心是要擺脫只計主梁氣動力作用等經(jīng)典理論基本假定的限制，研究其它重要構(gòu)件的氣動力荷載的特性、表達(dá)方式與測定方法，進(jìn)而建立計及全部主要構(gòu)件（梁、索、塔）氣動力荷載的改進(jìn)的橋梁顫振與抖振理論。現(xiàn)代理論研究也包括紊流效應(yīng)以及現(xiàn)代控制理論的深入研究。如同經(jīng)典抗風(fēng)理論促進(jìn)了輕柔大跨懸索橋的發(fā)展一樣，現(xiàn)代抗風(fēng)理論將會對超大跨度橋梁以及復(fù)合材料輕型橋梁的發(fā)展起到巨大促進(jìn)作用。