关键词:
4:1圆角矩形柱
CFD数值模拟
雷诺数
气动力特性
流场
涡激振动
摘要:
随着桥梁跨径的不断增加,其结构刚度不断降低,导致其对风荷载的敏感度急剧增大。其中涡激振动是桥梁较容易发生的风致振动现象,具有起振风速低,对结构气动外形敏感等特点。涡激振动不但会引起结构的大幅振动,影响正常使用,而且会导致构件的疲劳损伤,甚至破坏。由于结构气动外形对其气动力特性和流场的影响显著,导致了涡激振动对结构气动外形的较高敏感性。而结构气动力特性和流场受雷诺数(Re)的影响显著,因此有必要开展不同Re下结构气动力特性和流场,以及涡激振动性能研究。本文以宽高比4:1圆角矩形柱为研究对象,采用基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的数值模拟方法,分别进行了不同Re下4:1圆角矩形柱绕流大涡数值模拟(Large Eddy Simulation)和涡激振动流固耦合数值模拟研究,分析了4:1圆角矩形柱气动力特性、流场结构和涡振性能随Re的变化规律,同时研究了静止和涡振状态下4:1圆角矩形柱气动力和流场的变化规律。得到的主要结论如下:
(1)4:1圆角矩形柱绕流气动力特性结果表明:随着Re的增大,升阻力系数先增大后减小,St先增大后减小再增大。其中,当Re≥4×10~3时,升阻力系数受Re的变化影响较小,平均阻力系数在0.56~0.68范围内波动,升力系数均方根的变化量不超过0.01;当Re≥8×10~3时,St对Re变化不敏感,波动范围为0.19~0.21。当Re≤4×10~3时,随着Re的增大,矩形柱表面风压变化显著,脉动风压最大值位置逐渐前移。但当Re>4×10~3时,Re的变化对矩形柱表面风压影响较小。
(2)4:1圆角矩形柱绕流流场结果表明:当Re≤4×10~3时,矩形柱流场中流速分布以及旋涡变化受Re的变化影响显著。随着Re的增大,近尾流区的时均流速先减小后增大,远尾流区的时均流速变化较小,但脉动流速均呈现先增大后减小的趋势。随着Re的增大,矩形柱表面涡逐渐增大且旋涡中心逐渐后移,回流长度先减小后增大,回流区旋涡中心逐渐后移。但当Re>4×10~3时,矩形柱流场对Re的变化不敏感。
(3)4:1圆角矩形柱涡振数值模拟结果表明:随着Re的增大,产生最大振幅涡振的Ur逐渐变小,无量纲最大振幅先增大后减小,在Re=1×10~3时取最大值1.5×10-2,最大振幅涡振状态下矩形柱的振动频率呈现逐渐增大趋势。锁定区间长度也随着Re的增大逐渐增大。另外,随着Re的增大,最大振幅涡振状态下矩形柱的升阻力系数先增大后减小再轻微增大。
(4)静止和涡振状态下4:1圆角矩形柱气动力特性结果对比表明:随Re的增大,静止和涡振状态下矩形柱的升阻力系数均呈现先增大后减小再增大的变化规律。其中,矩形柱的升阻力系数在最大振幅涡振状态下最大,未发生涡振状态下次之,静止状态下最小。涡振响应会引起矩形柱的升阻力系数的增大,其中,Re=1×10~3时涡振响应对矩形柱的气动力影响最为剧烈。随Re的增大,涡振中弹性体系对矩形柱的气动力呈现先削弱后增强的影响规律。
(5)静止和涡振状态下4:1圆角矩形柱流场结果对比表明:未发生涡振状态下流场相比静止状态的流场差别不大,未发生涡振状态下流场中脱落的旋涡涡量略大。相比未发生涡振状态和静止状态下的流场,最大振幅涡振状态下流场中矩形柱的旋涡分离、再附着以及脱落现象更剧烈,矩形柱前端分离产生的旋涡和再附着产生的旋涡直径更大,旋涡中心更远离矩形柱表面,旋涡脱落速度更快,生成的旋涡涡量更大且形状更接近圆形。