双圆柱尾流激振研究进展

李大树

（上海大学，上海 200072）

双圆柱尾流激振研究进展

李大树

（上海大学，上海 200072）

双圆柱尾流激振是流体力学中经典而复杂的课题，很多国内外学者都对它做出了较为深入的研究，但是对尾流激振的机理还不是很透彻，因此还需要更为细致的研究。文章通过总结关于尾流激振的理论分析、风洞试验、数值模拟的相关研究，提出了对今后研究重点，发展趋势的看法，认为PIV风洞试验有着风洞试验和数值模拟的优点，对解释尾流激振机理意义重大。

尾流激振；理论分析；风洞试验；数值模拟

1 前 言

随着社会经济的发展，越来越多的大跨度桥梁拔地而起。拉索常常作为一种承重构件广泛的应用于各种大跨度桥梁之中。拉索的空间位置多种多样，当两根或多根索相邻布置时，上游索的尾流干扰常常会使下游索发生振动，这种尾流激振往往危害甚大。1992年，Matsumoto等对发生风致振动的六座斜拉桥的最大振幅情况做了总结：其中法国的Brotonne大桥为60 cm；德国的Koehlbrant大桥为100 cm；丹麦的Faroe大桥为200 cm；日本的Meikoh West大桥为26 cm，Aratsu大桥为60 cm，Tenpohzan大桥为195 cm。另外，拉索的振动会带来舒适度的问题，引起了很多国内外学者的关注。

Fujino和Siringoringo总结了以往的研究成果，把并列索的尾流激振分为三种不同机理的振动类型：尾流致涡激振动、尾流驰振和尾流致颤振。尾流致涡激振动是一种限幅限速振动，而尾流驰振和尾流颤振则是发散性自激振动现象。常见的研究尾流激振的方法有三种，即：理论分析，风洞试验，数值模拟。

2 理论分析

理论分析是基于结构振动理论，在对复杂的风振现象做适当简化的基础上，对结构进行受力分析，获得结构风荷载及其响应。理论分析方法作为一种研究手段，必须以现场实测或风洞试验结果为基础，校验其准确性。迄今为止，许多学者通过大量研究提出了多种涡激力模型，主要代表有以下几种五种：（1）简谐力模型；（2）升力振子模型；（3）经验线性模型；（4）经验非线性模型；（5）Larscn模型。

目前土木工程中常用的是Scanlan经验非线性模型。周涛，朱乐东，郭震山利用涡激共振竖向位移响应，基于广义谐波函数KBM法并引入缓变参数的概念，对Scanlan经验非线性模型进行处理，识别其中的气动参数，并得到Scanlan非线性涡激力。李永君等基于广义非线性涡激力模型，阐明了综合反映质量参数和阻尼参数的Scruton数对涡振振幅和锁定风速区间的影响。晏致涛根据能量原理推导出风速沿高度变化的梁单元的气动阻尼矩阵，对涡振方程进行计算分析，并求解涡振锁定区的稳态解。另外Barhoush鲜荣李立廖等分别基于Scanlan经验非线性模型，做出了深入的研究。

相对于涡激共振，尾流驰振的理论模型较少，大多根据振动微分方程组的稳定性来判断是否会发成驰振。双圆柱绕流情况下，假设下游柱体截面中心位置为（X，Y），并在水平与垂直两个方向弹性悬挂，顺风向和横风向坐标X、Y都以上游柱体的截面中心为原点，则下游柱体的运动方程用该柱体偏离坐标点（X，Y）的位置（x，y）表示为

式中：为下游柱体单位长度质量；、分别为和方向的阻尼系数；为约束下游柱体运动的直接弹簧常数和交叉耦合弹簧常数；、分别为方向的气动力分量。如果定义和为相对自由来流动压作用在位于（X，Y）处柱体上的平均定常系数，采用准定常气动力理论，和方向上的准定常气动力可表示为

式中：U为上游自由流速度；为（X，Y）处方向的尾流平均速度；D为柱体的横风向投影尺寸；和及其导数可通过风洞试验得到。

3 风洞试验

风洞实验指在风洞中安置某物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。风洞试验主要通过表面测压、测力、测振及测速方法研究桥梁索的涡振，驰振等。

4 数值模拟

数值模拟目前主要分为雷诺平均N-S模拟（RANS）、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）三种。数值模拟相对于直接风洞试验有很多优点：（1）可以避免缩尺比的影响；（2）具有周期短、费用低的特点；（3）能够形象细致的展现流场流态。同时，数值模拟方法也存在一定的缺陷：（1）缺少普遍适用的湍流模型；（2）数值计算的收敛性和精度不够。因此现阶段数值计算不能完全代替风洞试验，计算结果需要经过风洞试验的验证。

采用任意拉格朗日-欧拉方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性，包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象；另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用，成功地捕捉到了锁定拍和相位开关等现象，并与试验数据相吻合。采用CFD的方法对圆柱的流向与横向耦合涡激振动的性质进行了数值模拟。在计算时雷诺数的区间取为2.5×104～2.5×105，利用FLU-ENT软件对粘性不可压缩流体的N-S方程以及结构的动力响应方程进行求解。得到了圆柱发生涡激振动时的升力系数，根据升力系数计算出旋涡脱落频率和斯特罗哈数，研究了升力系数、阻力系数、振幅比和频率比随着折减速度的变化而变化的规律。在亚临界雷诺数范围内，根据实验条件，采用离散涡方法求解了圆柱体的涡激振动问题。

5 结语和展望

拉索尾流激振现象的机理非常复杂，容易受多种因素的影响，如：拉索倾角、来流方向、来流湍流度、拉索自振频率、拉索阻尼、雷诺数、拉索表面粗糙度等。很多学者对于拉索尾流激振的大多都采用风洞试验的方法来研究拉索的振动特性，气动力特性，但是常规的风洞试验并不能观察到双圆柱的流场特性，因此很难阐释尾流激振的发生机理。当然，采用数值模拟方法可以很容易的观察到流场特性，但是数值计算的准确性又需要风洞试验来验证，所以，这两种研究方法都不能很好的反应流场的特性。PIV试验作为一种特殊的风洞试验，有着很大的优势，既可以具备常规风洞试验的优势，有可以清楚、直观的观察到各种情况下，各个时刻的流态，对于解释尾流激振的发生机理有着很重要的作用。

［1］ 许福友，丁威，姜峰，张哲.大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望［J］.振动与冲击，2010，（10）：40-49，249.

［2］ 埃米尔.希缪，罗伯特.H.斯坎伦.刘尚培，等译.风对结构的作用-风工程导论［M］.上海：同济大学出版社，1992.

［3］ 周涛，朱乐东，郭震山.经验非线性涡激力模型参数识别［J］.振动与冲击，2011，（3）：115-118+144.

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2016-02-26

李大树（1989-），男，江苏连云港人，研究方向：结构风工程。