橋梁斷面非定常氣動力的可疊加性研究

本項目針對大跨度橋梁非定常氣動力的基本特性展開研究。主要研究內(nèi)容涉及到橋梁的顫振穩(wěn)定性、非線性后顫振時程理論、氣動導(dǎo)納的本質(zhì)特性、懸索橋長吊桿的非線性風(fēng)致共振等多項內(nèi)容。主要研究成果包含以下幾方面：（1）鈍體橋梁的非定常氣動力不具備有可疊加性，體現(xiàn)在氣動自激力與抖振力不可疊加，以及各頻率湍流成份對抖振力的貢獻不可疊加。因此，傳統(tǒng)意義下的氣動導(dǎo)納函數(shù)，即不依賴于風(fēng)場特性的導(dǎo)納函數(shù)對于鈍體橋梁而言不存在。我們在橋梁風(fēng)工程中應(yīng)用氣動導(dǎo)納函數(shù)時，必須注意試驗中紊流場與實際情況的相似性；（2）提出了多階段階躍函數(shù)的橋梁后顫振分析理論，結(jié)束了采用單一顫振臨界風(fēng)速評價橋梁氣動穩(wěn)定性能的現(xiàn)狀。后顫振理論方法的提出，使得我們有能力對結(jié)構(gòu)顫振后極限環(huán)振幅隨風(fēng)速的演變進行計算，這一理論的提出，使得今后有途徑對橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定的強健性進行評估與改善；（3）首次提出，并在試驗室里再現(xiàn)了橋梁主結(jié)構(gòu)隨機抖振引起長吊桿內(nèi)共振這一概念。這一概念的提出，成功地解釋了困惑國際風(fēng)工程領(lǐng)域長達十多年的長吊桿風(fēng)振現(xiàn)象。這類長吊桿的大幅風(fēng)振，多次在大帶東橋與我國西堠門大橋上出現(xiàn)。對這一現(xiàn)象本質(zhì)的認識，有助于有效減振措施的提出；（4）從理論解決了橋梁渦激共振節(jié)段模型與原型橋梁的振幅轉(zhuǎn)換關(guān)系，彌補了國內(nèi)、國際上各規(guī)范的不足； 2100433B

橋梁在空間脈動風(fēng)場中的力學(xué)行為問題涉及到結(jié)構(gòu)振動的自激力描述、脈動風(fēng)引起的氣動力描述兩大方面。通過與航空學(xué)中薄機翼理論的對比可知，多年來橋梁顫抖振理論及氣動導(dǎo)納理論均沿用了機翼理論中的非定常氣動力可疊加性。然而，非定常氣動力可疊加性是否適合于鈍體橋梁斷面決定了顫抖振模型以及該模型中內(nèi)嵌的氣動導(dǎo)納理論的合理性。本申請項目通過研究薄機翼非定常氣動力的形成機理以及假設(shè)前提，再結(jié)合機翼非定常氣動力理論中一些基本假定在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論橋梁顫抖振理論以及氣動導(dǎo)納理論中多年來存在的問題、指出可能的解決途徑，在研究思路上富有突破性地脫離長期以來的理論誤區(qū)。在新研究思路的指導(dǎo)下，針對鈍體橋梁斷面展開一系列的試驗研究并根據(jù)斷面非定常氣動力可疊加的程度進行合理分類。區(qū)別對待近似滿足與不滿足非定常氣動力疊加原理的兩種類型，在此基礎(chǔ)上探討相應(yīng)的試驗識別方法、氣動導(dǎo)納識別方法以及橋梁隨機風(fēng)振的顫抖振模型。

盡管風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)了橋梁主梁斷面的氣動抖振力具有較強的非定常性，但是直至目前為止尚無學(xué)者開展橋梁斷面非定常抖振力方面的研究。鑒于現(xiàn)有準(zhǔn)定常的線性氣動抖振力模型所存在的局限性，本課題從全新的角度首次嘗試地開展了橋梁斷面非定常抖振力方面的研究。基于紊流脈動與橋面自身運動的當(dāng)量假設(shè)，參照橋梁主梁斷面非定常的氣動自激力形式，提出了一種用階躍函數(shù)表示的橋梁主梁斷面非定常氣動抖振力數(shù)學(xué)模型。結(jié)合主梁節(jié)段模型測力試驗和測振試驗結(jié)果，提出了大跨度橋梁斷面非定常抖振力氣動參數(shù)的風(fēng)洞試驗測試技術(shù)和識別方法。以理想薄平板斷面作為數(shù)值算例，根據(jù)理想薄平板斷面的顫振導(dǎo)數(shù)擬合了理想薄平板斷面非定常抖振力的氣動參數(shù)，對本文識別方法進行了驗證。在將紊流的脈動當(dāng)量為橋面自身運動的假設(shè)前提下，發(fā)展了能考慮非定常氣動抖振力特性的大跨度橋梁隨機耦合抖振響應(yīng)分析方法，并編制相應(yīng)的計算機分析軟件。以南京長江三橋為例，用改進的諧波合成方法模擬了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的隨機風(fēng)場，用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)非定常抖振響應(yīng)分析方法對橋梁最大單懸臂狀態(tài)抖振問題進行了研究。將橋梁結(jié)構(gòu)抖振分析結(jié)果與全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了對比，驗證了該橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性。分析結(jié)果表明，按非定常氣動抖振力特性的橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析得出了更加合理的計算結(jié)果。在橋梁結(jié)構(gòu)非定常抖振理論分析方法中，由于綜合考慮了橋梁主梁斷面氣動抖振力的非定常特性，因此橋梁抖振分析時不再需要考慮氣動導(dǎo)納。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計理論的發(fā)展具重要的的理論和實際意義。 2100433B

在橋梁節(jié)段模型剛體測壓模型風(fēng)洞試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，橋梁主梁節(jié)段的氣動抖振力與來流脈動的相關(guān)性并不是很強，可見現(xiàn)有的線性定常氣動抖振力數(shù)學(xué)模型有較大的局限性。基于運動當(dāng)量假設(shè)，橋梁主梁斷面氣動自激力的非定常性則從另外角度反映了橋梁抖振力所具有的非定常特性。鑒于現(xiàn)有準(zhǔn)定常的線性氣動抖振力模型所存在的局限性，本課題提出一種橋梁斷面的非定常氣動抖振力數(shù)學(xué)模型，建立大跨度橋梁新的抖振理論體系和分析方法。在將紊流的脈動當(dāng)量為橋面自身運動的假設(shè)前提下，通過橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗提取非定常抖振力的氣動參數(shù)。在該橋梁抖振理論分析方法中，綜合考慮橋梁主梁斷面氣動自激力和氣動抖振力的非定常特性，抖振分析時不需要考慮氣動導(dǎo)納。基于橋梁主梁斷面節(jié)段模型風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值分析結(jié)果，對非定常氣動抖振力數(shù)學(xué)模型和橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性進行驗證。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計理論的發(fā)展具重要的的理論和實際意義。

本課題從事離心泵內(nèi)部非定常流動的研究。構(gòu)尋多功能離心泵PIV測量實驗臺，在不同工況下測理離心泵葉輪和泵體內(nèi)部非定常流協(xié)的全場瞬時速度場，分析研究離心泵葉輪和泵體內(nèi)部非定常流動的三維結(jié)構(gòu)和空間特性和周期性非定常的時間特性，為研究離心泵內(nèi)部非定常流動提供必要的基礎(chǔ)實驗資料，以最終建立離心泵非定常流動理論取代目前定常流動理論。