仿生沟槽表面减振机理及其在桥梁上的应用

2010-08-20罗益泽

山西建筑 2010年7期

罗益泽

1 鲨鱼沟槽减阻减振表面及其现有的仿生应用

鲨鱼在海水中以惊人的速度游动,其表面覆盖一层独特的盾鳞。盾鳞的基板上具有纵向排列的肋条,肋条之间形成圆底沟槽。

20世纪70年代NASA兰利研究中心发现,鲨鱼微小沟槽(肋条)表面能有效地降低壁面的摩阻。在这之后国内外科学家投入仿生沟槽减阻机理的研究,并取得令人鼓舞的丰硕成果,与此同时相应的仿生沟槽减阻技术投入实际生产应用中。如20世纪80年代德国飞机制造商利用带仿生沟槽的飞机机身使飞机节省8%的燃油;国际泳衣品牌speedo公司生产具有仿生沟槽表面的减阻泳衣,获得3%～5%水下减阻效果;国产运七飞机表面贴上仿生沟槽可减小5%～8%阻力。以上表明仿生沟槽减阻技术得到一定的应用并取得良好的减阻效果,但仿生沟槽的减阻特性的应用还具有非常大的潜力,它还可以应用到更多的工程领域;而且以前科学家和现在科学家主要集中在鲨鱼沟槽减阻特性的研究,而对其减振特性少有研究。在鲨鱼沟槽减阻机理基础之上,结合鲨鱼仿生沟槽在现代桥梁上的应用,深入探究其在桥梁结构中的减振机理具有重要的意义。

2 鲨鱼沟槽减阻机理和仿生沟槽在桥梁结构中减振机理的探究

2.1 现有的两种假说解析鲨鱼沟槽减阻机理

虽然众多研究员已经证实鲨鱼沟槽表面具有良好的减阻效果,但对其机理还没有确切的定论。目前普遍存在两种论说:其中“二次涡”论认为沟槽结构和流向涡作用产生二次涡,二次涡减弱低速带运动的不稳定性,导致沟槽表面摩阻的减小;另一种“突出高度”论强调,沟槽增加了边界层中的粘性层的厚度,促使沟槽内保留低速的流体,从而降低摩阻。

2.2 仿生沟槽在桥梁结构中的应用和其减振机理的探究

2.2.1 风对桥梁结构的作用

风对桥梁结构的动力作用是指结构在风作用下的空气弹性动力响应。这将是重点探究对象。其分类如下:1)涡振:由于桥梁结构几乎都是非流线形,风吹过,气流从构件表面剥离,涡流从桥梁结构构件脱离的频率与风的速度成正比,与构件的断面尺寸成反比,涡流给予桥梁相同频率变化的升力,俯仰力矩及以2倍频率变化的阻力,当涡流的脱离频率和桥梁结构的固有频率相同时,就会产生强烈的共振。2)颤振:对照旋涡脱落现象,振动的桥梁从流动的风中吸收能量,由此产生颤振。吸收能量的大小与桥梁振动频率,边界层风速成正比。3)抖振:抖振由来流的脉动成分抖振力和紊流绕过结构产生的脉动力共同产生。4)驰振:驰振是一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动,可分为横流驰振和尾流驰振。其中颤振和驰振属于自激振动,抖振为强迫振动,而涡振具有自激振动和强迫振动两种属性。

2.2.2 桥梁减振机理

空气流是一种低粘性流体,因此比起“突出高度”论、“二次涡”论更适合解析桥梁减振原理,另外“二次涡”论为众多实验观察和模拟仿真所证实,而鲨鱼沟槽减少单位展长内低速流带条数目已为robinson等人的实验观察所证实。因此“二次涡”论更为合理。下面取以有入口速度为 u的风吹向设置仿生沟槽的梁表面和平直的梁表面为研究对象,通过探讨两种表面边界层空气流的运动形态,进一步探究其在桥梁结构中的减振机理。

1)速度为u的风吹过平直梁表面,梁表面的流体形态如图1,图2所示。从图1中可以看到,单位展长内流向涡的数目多;在图2中发现梁表面边界层流体极不稳定,存在数目多的低风速带和距梁后端很近的卡曼旋涡。2)速度为 u的风流过设置有仿生沟槽的梁表面,梁表面的流体形态如图3,图4所示。从图 3可以看到,单位展长内流向涡的数目减少,在图4中发现梁边界层流体运动变得稳定,只存在少数的低风带和距梁后端较远的卡曼旋涡。

综合分析探究桥梁的减振机理:1)仿生沟槽与流向涡作用产生与流向涡方向相反的二次涡,二次涡与流向涡相互作用,进而削弱流向涡的强度和限制流向涡的展向运动,从而削弱流向涡对桥梁的作用强度。2)二次涡限制流向涡的展向运动,进而削弱了它们集结低速流体和向上抬升流体的能力,从而减弱气流从桥梁表面的剥离能力,即降低了气流从桥梁表面剥离频率和强度,达到减弱涡振的效果。3)由于集结低速流体和抬升低速流体能力的削弱,降低了湍流猝发的强度,进而促使沟槽表面边界层流体速度脉动和压力脉动减弱,从根本上达到减弱抖振的效果。4)随着沟槽表面边界层流体运动稳定性的提高,沟槽表面边界层存在稳定的低速流带,因此有效地将沟槽表面和外部高速流体隔开,使外部高速流体从低速流带上流过,而不是直接从沟槽表面流过,降低了桥梁从风中吸收能量的能力,从而减弱了由振动桥梁从风中吸收能量而产生的颤振。5)沟槽表面边界层存在稳定的低风速带,并将沟槽表面和高风速不稳定流体隔开,因此当风离开梁后端时,沿梁顶面和底面延伸的水平面仍保持较稳定的低速流体,进而增大了尾流中的卡曼漩涡在梁后端的形成距离,从而减弱了由尾流作用产生的尾流驰振。

2.2.3 沟槽尺寸的设计及其在桥梁设计上的应用

科研人员对鲨鱼沟槽的几何形貌进行了实验观测。其中Luchini发现沟槽高度(h)与间隔(s)之比 h/s≥0.6倍时,减阻效果较好,这一结果启示了Bruse在原有的沟槽间插入一小薄片,这样可能抑制流体在原有沟槽间的紊流,达到减阻效果;而Bchert等人发现,h/s=0.5时减阻效果更好,比照光滑表面减阻9.9%,并认为当h/s＞0.6时,减阻效果可随高度增加而增加。由于鲨鱼沟槽表面减振机理是在其减阻机理基础上,结合其在桥梁的应用,探索出减振理论。因此其最佳减振尺寸和其减阻尺寸相近。在还没有完全精确得出其最佳减振尺寸之前,以上减阻尺寸在生产实践中具有重要的指导意义,用在桥梁的减振尺寸可以大致按照以上尺寸设计。桥梁结构中的主梁,塔柱,钢索是重要的承重结构构件,也是桥梁结构承受风作用的主要构件。

2.3 仿生沟槽在桥梁工程应用的展望

进入21世纪,随着造陆和人工岛活动的频繁开展,桥梁趋于长跨度化,轻质化,高强化。因此对桥梁的抗风性能提出了前所未有的要求,桥梁工程中的抗风设计成为整个桥梁设计中控制性设计。而自然界蕴含着无穷的奥妙,值得不断地探索和学习。尽管鲨鱼仿生沟槽在未来桥梁的发展应用中会遇到困难,但随着仿生学技术水平的提高和仿生沟槽在桥梁中的减振机理的不断深入研究,鲨鱼仿生沟槽在桥梁工程中的应用将会无止境。