绕流对称性破缺诱发柔细结构振动研究——以Tacoma大桥风振致毁事故为例

绕流对称性破缺往往对柔细结构产生很大的作用效应,诱发结构振动,严重影响其可靠性和安全性。基于圆柱平面绕流模型,系统分析了实际流体圆柱绕流纵向对称性破缺以及各种情况的横向对称性破缺现象。为了更加深入地理解理论分析的结果,利用Fluent软件对圆柱绕流模型进行了计算机模拟,详细分析了雷诺数为10、20、40、100、200、2000、20000时的绕流情况,结果显示,当雷诺数为200时,流场开始出现横向对称性破缺。在此基础上,以Tacoma大桥风振致毁事故为例,分情况探讨了旋涡同步交替脱落导致的桥面起伏性振动,以及旋涡异步交替脱落导致的桥面扭振。分析结果表明,绕流对称性破缺是诱发大桥振动破坏的直接原因。

小雷诺数下圆柱绕流的数值模拟

在不同的小雷诺数(Re<70)下,采用有限体积法对圆柱绕流流场中的反向对称漩涡进行了非定常流动的数值模拟。计算区域采用分块网格划分与结构化○型网格划分相结合的技术,重点讨论了反向对称漩涡的尺寸变化、横向涡致力变化及壁面上的压力、速度和应力分布规律。数值计算结果表明:存在两个特征雷诺数,在第一特征雷诺数范围内,流动定常,无漩涡存在;在第二特征雷诺数范围内,存在反向对称漩涡;反向对称漩涡的尺寸与雷诺数近似成线性关系变化;约在62°处,压力值与雷诺数无关;壁面上的速度均约在45.8°处达到最大,切应力均约在51.6°处达到最大。

小雷诺数下圆柱绕流的涡态演化

为获得在小雷诺数下圆柱绕流的流场特性,应用计算流体动力学理论,在Re=40情况下,采用有限体积法、协调一致的半隐式算法SIMEPLEC和层流模型,运用Fluent软件对圆柱绕流的二维绕流流场中出现的反向对称漩涡的涡态演化过程进行了非定常流动的数值模拟。其中计算区域采用分块网格划分与结构化O型网格划分相结合的技术,讨论了反向对称漩涡演化过程中的尺寸、横向涡致力及壁面上的压力、速度、应力、流函数分布和变化规律。计算结果表明:反向对称漩涡的演化规律早期变化明显,后期较稳定;横向涡致力呈现先减小后增大最后稳定的规律;对称圆柱壁面上的最低压力点位于切点稍后,且演化过程中向切点移动;速度和壁面切应力均呈现"M"型分布规律,最大值均在大约57.3°出现;流函数分布呈现中心对称特点,在大约45.8°时最小。