基于粒子圖像測速技術的橋梁風致振動細觀機理研究.pdf

1、本文的主要工作是將粒子圖像測速技術(PIV)引入到橋梁風振的研究中，并由此建立一整套基于速度場的橋梁結構風振機理的研究框架。PIV實驗系統(tǒng)的成功引入，建立了傳統(tǒng)風洞實驗和理論分析以及數(shù)值模擬計算之間更加直接和有效的聯(lián)系紐帶，為從根本上了解橋梁風振機理以及有效控制橋梁風振奠定了基礎。本文主要完成了下面一些工作。 1.建立了風洞粒子圖像測速試驗系統(tǒng)。為能夠進行風洞中的PIV試驗，同濟大學新建設了TJ-4號風洞并引進了PIV設備。為建

2、立起風洞粒子圖像測速試驗系統(tǒng)，對風洞的流場進行了校測，并采用了標模試驗方法，來驗證風洞和粒子圖像測速系統(tǒng)的有效性。 2.通過分析簡單幾何形體的繞流，特別是旋渦分析，提出了根據(jù)單幅PIV速度場獲得結構繞流斯托羅哈數(shù)的新方法。這種方法結合了快照正交特征分解方法和小渦分解兩種方法的優(yōu)點，并通過引入修正的凍結湍流假設，通過采用旋渦覆蓋區(qū)域的平均速度作為旋渦的移動速度，使得對于旋渦運動描述更加精確，從而使得這種計算方法精度更高。

3、3.分析了典型橋梁斷面繞流流場，其中包括大海帶東橋主橋斷面、1stTacoma橋的H形簡化斷面和分離雙箱斷面等。通過對多種常用橋梁斷面的分析，發(fā)現(xiàn)了幾種斷面旋渦的運動規(guī)律的差別。分析結果同時表明，旋渦的運動規(guī)律同結構所受的氣動力存在一定的關系。通過對流場中旋渦的結構分析和旋渦模型參數(shù)擬合，提出了一種基于旋渦與結構相互作用的研究思路。 4.從流體力學的基本方程如連續(xù)方程和動量方程等出發(fā)，推導了采用結構周圍風場速度場時間序列獲得結構

4、非定常氣動力的計算公式，并依據(jù)現(xiàn)有的PIV設備的低時間分辨率進行了適當?shù)暮喕?，最后通過數(shù)值模擬得到的速度場和PIV速度場對三分力系數(shù)進行了計算和試驗驗證。給出了與平板Theodorsen準定常氣動力理論解相似的非定常氣動力的計算過程和方法。 5.根據(jù)速度場的變化特征，總結了橋梁振動的驅(qū)動機理。通過對包括平板斷面、單箱斷面以及H形鈍體斷面氣彈結構周圍流場和結構運動的分析，發(fā)現(xiàn)結構運動與其周圍流場規(guī)律性的旋渦生成和移動有關。在采用適