基于CFD的橋梁渦激振和顫振氣彈模擬研究.pdf

1、隨著大跨度斜拉橋、懸索橋的不斷涌現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)正朝著更細(xì)長、更輕柔的方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)荷載的作用也越來越敏感。橋梁的風(fēng)致振動(dòng)不僅影響橋梁自身結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，對(duì)橋上車輛行駛的安全性和舒適性也有重要的影響。因此，對(duì)橋梁氣動(dòng)彈性現(xiàn)象開展研究，對(duì)提高橋梁抗風(fēng)性能，抑制橋梁風(fēng)致振動(dòng)有著重要意義。
　　 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（簡稱CFD）以其計(jì)算成本底、周期短、參數(shù)修改方便等優(yōu)勢(shì)，近年來在橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。本文以商用CFD軟件FLUEN

2、T為工具，將結(jié)構(gòu)視為運(yùn)動(dòng)的剛體，研究空氣與橋梁之間的流固耦合作用。將Newmark方法嵌入到FLUENT軟件中，對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解，剛體位置的更新則通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
　　 首先，建立了二維方柱靜態(tài)繞流模型，對(duì)不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，選擇了模擬結(jié)果較好的k-ωSST模型作為本文研究所使用的湍流模型。然后，模擬計(jì)算了豎向單自由度振動(dòng)方柱在不同風(fēng)速下的阻力系數(shù)和斯托羅哈數(shù)的變化情況，模擬了渦激共振現(xiàn)象，并與靜

3、態(tài)繞流進(jìn)行了對(duì)比。
　　 其次，建立了具有豎向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)二自由度的薄平板模型，并識(shí)別了該平板的顫振導(dǎo)數(shù)。接著對(duì)其顫振臨界風(fēng)速進(jìn)行了逼近計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與抗風(fēng)規(guī)范的理論公式解進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)，通過改變結(jié)構(gòu)阻尼比的大小，研究了結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響。隨后還研究了零風(fēng)速條件下平板氣動(dòng)阻尼的影響因素。
　　 最后，以某工程實(shí)例的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比，建立了某大跨度懸索橋施工階段主梁的二維節(jié)段計(jì)算模型。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4、以及數(shù)值模擬的相關(guān)結(jié)果，對(duì)模型的阻尼比進(jìn)行了修正，并對(duì)修正阻尼比之后的模型進(jìn)行了顫振臨界風(fēng)速的計(jì)算，結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)吻合較好。對(duì)渦振試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵策M(jìn)行了阻尼比修正，并驗(yàn)算了截面的渦振性能，在2m/s至8.8m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的渦振現(xiàn)象。
　　 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文采用的CFD-CSD耦合分析方法能夠研究理想方柱繞流和薄平板模型繞流。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速的計(jì)算也與風(fēng)洞試驗(yàn)吻合較好，對(duì)橋梁截面的渦振性能也能進(jìn)行相關(guān)模擬?？傊?/p>