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1、風(fēng)雨激振是指在風(fēng)雨條件下,斜拉索發(fā)生的低頻率、大振幅的振動(dòng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)直接破壞斜拉索防腐系統(tǒng),導(dǎo)致斜拉索失效,嚴(yán)重威脅行人及車(chē)輛的安全。根據(jù)近三十年來(lái)諸多學(xué)者的研究表明,斜拉索表面水線(xiàn)形成和振蕩與風(fēng)雨激振現(xiàn)象有重要的關(guān)系。
本文首先基于氣液兩相流理論及體積分?jǐn)?shù)法VOF法,研究了不同風(fēng)速對(duì)斜拉索表面水膜的影響,并將不同風(fēng)速時(shí)的水膜運(yùn)動(dòng)與拉索振動(dòng)進(jìn)行單向耦合;然后基于滑移理論推導(dǎo)了二維兩自由度斜拉索風(fēng)雨激振理論模型,實(shí)現(xiàn)了水膜運(yùn)
2、動(dòng)與兩自由度斜拉索振動(dòng)間的雙向耦合;最后基于滑移理論與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD數(shù)值模擬技術(shù),建立了三維斜拉索剛性節(jié)段水膜運(yùn)動(dòng)模型,并通過(guò)正則攝動(dòng)法對(duì)方程進(jìn)行化簡(jiǎn),利用有限差分法求解,得到了不同工況下的水膜運(yùn)動(dòng)情況,從以上三個(gè)角度深入研究了風(fēng)雨激振現(xiàn)象,主要研究?jī)?nèi)容如下:
基于氣液兩相流理論及VOF法,計(jì)算了不同風(fēng)速時(shí)二維斜拉索表面的水膜運(yùn)動(dòng)變化情況,得到不同時(shí)刻的上水線(xiàn)及下水線(xiàn)的形成與變化規(guī)律,并通過(guò)后處理得到各時(shí)刻的氣動(dòng)力時(shí)程及
3、頻譜分析,最后將得到氣動(dòng)力升力值施加到斜拉索單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方程中,得到了不同風(fēng)速時(shí)的斜拉索的振動(dòng)規(guī)律,通過(guò)分析表明,上水線(xiàn)的周期性振蕩是引起風(fēng)雨激振的主要原因;
基于滑移理論,建立了兩自由度斜拉索風(fēng)雨激振理論模型,首先考慮斜拉索振動(dòng)在橫風(fēng)向及順風(fēng)向產(chǎn)生的加速度對(duì)水膜形態(tài)變化的影響建立了水膜運(yùn)動(dòng)方程,并利用CFD確定不同時(shí)刻的風(fēng)壓力系數(shù)Cp和風(fēng)摩擦力系數(shù)Cfθ和Cfz,考慮了水膜形態(tài)變化導(dǎo)致斜拉索邊界的變化及拉索振動(dòng)引起的氣流場(chǎng)變化
4、,通過(guò)擬譜法求解,實(shí)現(xiàn)了水膜運(yùn)動(dòng)與兩自由度斜拉索振動(dòng)間的雙向耦合,得到了不同時(shí)刻斜拉索順風(fēng)向及橫風(fēng)向的振動(dòng)規(guī)律及上、下水線(xiàn)變化規(guī)律,通過(guò)與單自由度斜拉索風(fēng)雨激振結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩自由度斜拉索在橫風(fēng)向及順風(fēng)向均發(fā)生了大幅度的振動(dòng)現(xiàn)象,其周?chē)臍鈩?dòng)力也發(fā)生了周期性的變化,而拉索表面上、下水線(xiàn)也出現(xiàn)了明顯的周期性振蕩,通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)拉索的振動(dòng)頻率與拉索周?chē)臍鈩?dòng)力變化頻率、水線(xiàn)的振蕩頻率非常接近,且均接近于拉索的自振頻率;
考慮
5、斜拉索氣流及水流沿軸向的影響,基于滑移理論建立了三維斜拉索剛性節(jié)段水膜運(yùn)動(dòng)方程,利用正則攝動(dòng)法對(duì)方程進(jìn)行化簡(jiǎn),忽略高階項(xiàng),并采用有限差分法中的交替方向隱式差分格式(ADI格式)進(jìn)行數(shù)值求解;通過(guò)計(jì)算水平及豎直放置的斜拉索在僅受重力作用下斜拉索表面水膜的運(yùn)動(dòng)變化情況證明了該方法的準(zhǔn)確性,然后計(jì)算了不同風(fēng)速時(shí),斜拉索表面水膜的分布及形態(tài)變化,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該方法能很好的模擬水膜在三維斜拉索表面的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律,只有當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí),才會(huì)出
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