大跨度橋梁斜拉索風(fēng)致振動(dòng)邊界層仿生控制研究結(jié)題摘要

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(dòng)。本項(xiàng)目開展基于仿生的行波壁主動(dòng)流動(dòng)控制方法的研究，對(duì)拉索風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行控制，并研究該方法的控制機(jī)理。具體研究成果如下： 第一，本項(xiàng)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(dòng)器：一種是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，一種是離子聚合物金屬復(fù)合材料IPMC驅(qū)動(dòng)器；并且對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器集成的行波壁仿生系統(tǒng)進(jìn)行了流動(dòng)控制的風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了該系統(tǒng)的流動(dòng)控制效果。同時(shí)對(duì)制備好的IPMC驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)位移進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明IPMC驅(qū)動(dòng)器較壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)位移大10倍左右，并且所需電壓幅值比壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器低很多。同樣還利用多個(gè)IPMC驅(qū)動(dòng)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(dòng)-行波壁流動(dòng)控制全過程的數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了行波壁流動(dòng)控制方法對(duì)低雷諾數(shù)下兩自由度彈性支撐單圓柱渦激振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)的目的；在計(jì)算初始和中途啟動(dòng)的行波壁均顯著地抑制了圓柱的橫向和流向振動(dòng)；行波壁流動(dòng)控制方法顯著降低了圓柱升力系數(shù)脈動(dòng)值和阻力系數(shù)均值，但阻力系數(shù)的脈動(dòng)值則顯著增大。 第三，采用行波壁對(duì)圓柱繞流場(chǎng)的旋渦脫落抑制進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性以及控制機(jī)理。行波的波幅為2.03mm，每個(gè)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(duì)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(shí)，整個(gè)尾流被抑制，旋渦脫落強(qiáng)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(shí)，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(jī)理：“強(qiáng)迫擾動(dòng)”和“共振擾動(dòng)”機(jī)理。“強(qiáng)迫擾動(dòng)”機(jī)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(dòng)”機(jī)理是本項(xiàng)目新發(fā)現(xiàn)和提出的一種控制機(jī)理，是指行波頻率和渦脫頻率接近時(shí)，行波壁體現(xiàn)出較好的控制效果。 2100433B

本項(xiàng)目研究大跨度橋梁斜拉索渦激振動(dòng)與風(fēng)雨激振繞流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)斜拉索渦激振動(dòng)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(duì)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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)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(dòng)與風(fēng)雨激振CFD數(shù)值模擬，分析斜拉索繞流場(chǎng)及振動(dòng)控制效果的變化規(guī)律；從斜拉索振動(dòng)特性、氣動(dòng)力特性、邊界層流態(tài)、繞流場(chǎng)分形特征及斜拉索振動(dòng)與流場(chǎng)之間能量交換的轉(zhuǎn)變規(guī)律等五個(gè)性能指標(biāo)，揭示行波壁對(duì)斜拉索風(fēng)致振動(dòng)繞流場(chǎng)邊界層流動(dòng)的控制機(jī)理，分析斜拉索振動(dòng)特性、氣動(dòng)力特性、邊界層流態(tài)、繞流場(chǎng)分形特征及斜拉索振動(dòng)與流場(chǎng)之間能量交換臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)。本項(xiàng)研究將為大跨度橋梁斜拉索風(fēng)致振動(dòng)控制提供嶄新的方法和系統(tǒng)。

橋梁風(fēng)致振動(dòng)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(dòng)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(jì)主梁氣動(dòng)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(dòng)力荷載的特性、表達(dá)方式與測(cè)定方法，進(jìn)而建立計(jì)及全部主要構(gòu)件（梁、索、塔）氣動(dòng)力荷載的改進(jìn)的橋梁顫振與抖振理論?，F(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(huì)對(duì)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。