橋梁斷面非定常氣動(dòng)力的可疊加性研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目針對(duì)大跨度橋梁非定常氣動(dòng)力的基本特性展開(kāi)研究。主要研究?jī)?nèi)容涉及到橋梁的顫振穩(wěn)定性、非線性后顫振時(shí)程理論、氣動(dòng)導(dǎo)納的本質(zhì)特性、懸索橋長(zhǎng)吊桿的非線性風(fēng)致共振等多項(xiàng)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(dòng)力不具備有可疊加性，體現(xiàn)在氣動(dòng)自激力與抖振力不可疊加，以及各頻率湍流成份對(duì)抖振力的貢獻(xiàn)不可疊加。因此，傳統(tǒng)意義下的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)，即不依賴于風(fēng)場(chǎng)特性的導(dǎo)納函數(shù)對(duì)于鈍體橋梁而言不存在。我們?cè)跇蛄猴L(fēng)工程中應(yīng)用氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)時(shí)，必須注意試驗(yàn)中紊流場(chǎng)與實(shí)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(píng)價(jià)橋梁氣動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)顫振后極限環(huán)振幅隨風(fēng)速的演變進(jìn)行計(jì)算，這一理論的提出，使得今后有途徑對(duì)橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定的強(qiáng)健性進(jìn)行評(píng)估與改善；（3）首次提出，并在試驗(yàn)室里再現(xiàn)了橋梁主結(jié)構(gòu)隨機(jī)抖振引起長(zhǎng)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(guó)際風(fēng)工程領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)十多年的長(zhǎng)吊桿風(fēng)振現(xiàn)象。這類長(zhǎng)吊桿的大幅風(fēng)振，多次在大帶東橋與我國(guó)西堠門大橋上出現(xiàn)。對(duì)這一現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，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(bǔ)了國(guó)內(nèi)、國(guó)際上各規(guī)范的不足； 2100433B

橋梁在空間脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中的力學(xué)行為問(wèn)題涉及到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的自激力描述、脈動(dòng)風(fēng)引起的氣動(dòng)力描述兩大方面。通過(guò)與航空學(xué)中薄機(jī)翼理論的對(duì)比可知，多年來(lái)橋梁顫抖振理論及氣動(dòng)導(dǎo)納理論均沿用了機(jī)翼理論中的非定常氣動(dòng)力可疊加性。然而，非定常氣動(dòng)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(dòng)導(dǎo)納理論的合理性。本申請(qǐng)項(xiàng)目通過(guò)研究薄機(jī)翼非定常氣動(dòng)力的形成機(jī)理以及假設(shè)前提，再結(jié)合機(jī)翼非定常氣動(dòng)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(dòng)導(dǎo)納理論中多年來(lái)存在的問(wèn)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(zhǎng)期以來(lái)的理論誤區(qū)。在新研究思路的指導(dǎo)下，針對(duì)鈍體橋梁斷面展開(kāi)一系列的試驗(yàn)研究并根據(jù)斷面非定常氣動(dòng)力可疊加的程度進(jìn)行合理分類。區(qū)別對(duì)待近似滿足與不滿足非定常氣動(dòng)力疊加原理的兩種類型，在此基礎(chǔ)上探討相應(yīng)的試驗(yàn)識(shí)別方法、氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別方法以及橋梁隨機(jī)風(fēng)振的顫抖振模型。

盡管風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了橋梁主梁斷面的氣動(dòng)抖振力具有較強(qiáng)的非定常性，但是直至目前為止尚無(wú)學(xué)者開(kāi)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(dòng)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(kāi)展了橋梁斷面非定常抖振力方面的研究。基于紊流脈動(dòng)與橋面自身運(yùn)動(dòng)的當(dāng)量假設(shè)，參照橋梁主梁斷面非定常的氣動(dòng)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(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型。結(jié)合主梁節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)和測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果，提出了大跨度橋梁斷面非定常抖振力氣動(dòng)參數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和識(shí)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(dòng)參數(shù)，對(duì)本文識(shí)別方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在將紊流的脈動(dòng)當(dāng)量為橋面自身運(yùn)動(dòng)的假設(shè)前提下，發(fā)展了能考慮非定常氣動(dòng)抖振力特性的大跨度橋梁隨機(jī)耦合抖振響應(yīng)分析方法，并編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析軟件。以南京長(zhǎng)江三橋?yàn)槔?，用改進(jìn)的諧波合成方法模擬了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)，用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)非定常抖振響應(yīng)分析方法對(duì)橋梁最大單懸臂狀態(tài)抖振問(wèn)題進(jìn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)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(dòng)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(jì)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(dòng)抖振力的非定常特性，因此橋梁抖振分析時(shí)不再需要考慮氣動(dòng)導(dǎo)納。本課題研究成果對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具重要的的理論和實(shí)際意義。 2100433B

在橋梁節(jié)段模型剛體測(cè)壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，橋梁主梁節(jié)段的氣動(dòng)抖振力與來(lái)流脈動(dòng)的相關(guān)性并不是很強(qiáng)，可見(jiàn)現(xiàn)有的線性定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型有較大的局限性?；谶\(yùn)動(dòng)當(dāng)量假設(shè)，橋梁主梁斷面氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)當(dāng)量為橋面自身運(yùn)動(dòng)的假設(shè)前提下，通過(guò)橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)提取非定常抖振力的氣動(dòng)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(dòng)自激力和氣動(dòng)抖振力的非定常特性，抖振分析時(shí)不需要考慮氣動(dòng)導(dǎo)納?；跇蛄褐髁簲嗝婀?jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)非定常氣動(dòng)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(jìn)行驗(yàn)證。本課題研究成果對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具重要的的理論和實(shí)際意義。

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