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矩形断面涡激力展向相关性试验研究

作　者: 黄来科
导　师: 刘志文
学　校: 湖南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 矩形断面涡激力表面压力展向相关性风洞试验数值模拟
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

桥梁主梁结构的涡激振动具有明显的三维特性，主梁所受涡激力沿展向并不完全同步，鉴于该方面研究的不足，目前桥梁抗风设计实践中仍偏于保守地认为主梁所受涡激力沿展向完全相关。随着桥梁跨度的增大和结构的轻型化，桥梁主梁结构涡激力的展向相关性研究也显得更为迫切和必要。考虑到实际桥梁断面的复杂性，目前关于涡激力的展向相关性研究主要集中在一些矩形断面和平板断面上。宽高比为5的矩形断面作为一种钝体断面，虽然其气动外形较为简单，但对其进行研究可以为其他断面的研究提供较为有价值的成果，为此本文通过节段模型风洞试验方法对宽高比为5的矩形断面的涡激力展向相关性进行探讨，并从微观角度对矩形断面压力分布规律及其展向相关性进行了研究。在此基础上采用计算流体力学方法(CFD, Computational Fluid Dynamics)进行矩形断面二维涡激振动响应分析，并对静止矩形断面进行了三维流场绕流分析，将数值模拟结果与试验结果进行了比较。本文的主要研究内容简介如下：1.简要概述了涡激振动以及涡激力展向相关性的研究现状，并提出了本文的主要研究内容。2.设计并制作宽高比为5的矩形断面试验模型，对测压孔及尾流风速测点布置进行了详述，对不同试验测试系统及试验工况进行了介绍。3.分别在均匀流场及紊流场条件下，对矩形断面进行了涡激力展向相关性试验。对不同流场模型弹性悬挂状态及固定状态下涡激力及尾流风速的相关性进行分析，研究振幅、紊流对相关性的影响；对模型表面压力及上下表面升力的互相关性进行研究，分析振幅及紊流对其影响规律。简述了三种涡激力模型参数识别方法，并对试验结果进行参数识别。4.对试验断面进行二维静止状态及涡振状态数值模拟以分析模型表面压力分布规律。通过矩形断面三维数值模拟对气动力的展向相关性及模型表面压力分布规律进行分析，并将二维及三维计算结果与试验结果进行对比验证。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-26
  1.1 涡激振动的研究现状  15-20
    1.1.1 大跨度桥梁涡振实例  15-17
    1.1.2 桥梁结构涡激振动研究现状  17-19
    1.1.3 涡激振动的影响因素  19-20
  1.2 涡激力展向相关性研究现状  20-24
    1.2.1 试验研究  20-23
    1.2.2 数值模拟研究  23-24
  1.3 本文的研究内容  24-26
    1.3.1 论文背景  24
    1.3.2 论文完成的主要工作  24-26
第2章矩形断面涡激力展向相关性试验  26-33
  2.1 引言  26
  2.2 试验模型及测点布置  26-28
    2.2.1 模型断面及尺寸  26
    2.2.2 模型测压孔布置  26-28
    2.2.3 尾流测点布置  28
  2.3 试验装置及仪器简介  28-31
    2.3.1 风洞试验设备  28-29
    2.3.2 测试系统  29-31
    2.3.3 试验模型参数  31
  2.4 试验工况安排  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章涡激力展向相关性试验研究  33-81
  3.1 测压管路修正  33-35
  3.2 涡振位移响应试验结果  35-39
    3.2.1 均匀流场试验结果  35-37
    3.2.2 紊流场试验结果  37-39
  3.3 气动力及尾流展向相关性  39-63
    3.3.1 气动力相关性定义及研究现状  39-41
    3.3.2 均匀流弹性悬挂模型气动力相关性  41-52
    3.3.3 均匀流固定模型气动力相关性  52-59
    3.3.4 紊流场弹性悬挂模型气动力相关性  59-62
    3.3.5 均匀流及紊流气动力相关性对比  62-63
  3.4 模型表面压力分布规律  63-69
    3.4.1 振幅对模型表面压力分布的影响  64-67
    3.4.2 紊流对模型表面压力分布的影响  67-69
  3.5 涡激力气动参数识别  69-79
    3.5.1 经验线性模型  70-72
    3.5.2 Scanlan 经验非线性模型  72-76
    3.5.3 Larsen 广义经验非线性模型  76-79
  3.6 本章小结  79-81
第4章矩形断面二维涡激振动数值模拟  81-93
  4.1 数值计算基本理论  81-83
    4.1.1 基本控制方程  81-82
    4.1.2 湍流模型  82-83
  4.2 矩形断面二维数值模拟  83-89
    4.2.1 基本计算参数  83-84
    4.2.2 求解参数及过程  84-85
    4.2.3 网格测试  85-86
    4.2.4 柱体静止绕流数值模拟  86-87
    4.2.5 涡振数值计算结果  87-89
  4.3 模型表面压力分布规律  89-90
  4.4 流场结构示意图  90-92
  4.5 本章小结  92-93
第5章矩形断面三维数值模拟  93-102
  5.1 大涡模拟基本理论  93-95
    5.1.1 大涡模拟的基本原理  93-94
    5.1.2 大涡运动方程  94
    5.1.3 亚格子应力模型  94-95
    5.1.4 LES 控制方程求解  95
  5.2 三维静止绕流数值模拟  95-97
    5.2.1 网格划分  95-96
    5.2.2 静力三分力系数  96-97
  5.3 气动力及尾流风速相关性  97-99
    5.3.1 气动力展向相关性  97-98
    5.3.2 尾流风速相关性  98-99
  5.4 模型表面压力分布规律  99-100
  5.5 流场结构示意图  100-101
  5.6 本章小结  101-102
结论与展望  102-104
参考文献  104-108
致谢  108

矩形断面涡激力展向相关性试验研究

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