大跨度桥梁多阶涡振MTMD控制效果与布置优化

调谐质量阻尼器(TMD)在结构减振方面有显著效果。传统桥梁涡激振动控制通常只考虑单一模态,并使用简化的气动力模型,而多跨桥梁等结构具有频率密集的多阶模态,忽略相邻非涡振模态对TMD的影响可能导致涡振振幅计算产生较大误差,TMD控制效果无法达到最优。该文介绍了一种针对结构多模态涡振控制的多个TMD布置优化方法,考虑了非涡振模态影响,并采用多项式涡激力模型推导了模态坐标中力-结构-MTMD的控制方程,同时提出了一种量化各非涡振模态对涡振计算的贡献和识别有显著贡献非涡振模态的新方法。以多跨桥梁为研究案例,对多个TMD控制效果和布置优化开展了对比研究,与逐模态设计结果相比,该文通过全局优化确定最优MTMD参数显示出更优的控制性能,明确了多项式模型在TMD安装后准确预测涡振振幅的适用性,突显出非涡振模态在TMD优化中的重要性。

流向强迫振荡圆柱绕流的涡脱落模态分析

通过求解采用ALE方法描述的运动坐标系Navier-Stokes方程组,分析均匀来流下雷诺数为150的静止和流向振荡的圆柱绕流．主要研究了强迫振荡频率和较大振幅比(A／D=0．3～1．2)对圆柱升力、阻力变化特性以及涡脱落模态的影响．研究表明,流向振荡圆柱绕流存在多种涡脱落模态,如对称S以及反对称A-Ⅰ, A-Ⅲ,A-Ⅳ等多种形式;比较研究结果,拓展了各模态下对应的锁定区域,并将其分为5个子区;A-Ⅰ模态中圆柱受力较以前所知更复杂;通过分析计算结果,发现最大加速度比Afc2／Dfs02可能是涡脱落模态(尤其是对称S模态)最有效的控制参数．

下游圆柱涡致振动的升阻力特性及涡脱落模态分析

采用分块耦合方法结合任意拉格朗日-欧拉法数值求解非定常二维不可压缩N-S方程和Poisson方程,分析了下游圆柱涡致振动的涡脱落模态以及升阻力特性.圆柱振荡频率比值为0.30～1.49.分析了各种模态之间相互转化的跃迁点、升力与振幅间相位和模态间转化的关系,以及初始涡量形成的差异与模态间转化的关系,研究了当涡脱落向下游移动时的演化和重组现象.研究发现,涡的横向和流向间距以及涡街的大小随频率比的变化而变化;存在3种典型的涡脱落模态, 即2P、2S 和 P+S模态,各种模态之间相互竞争从而促进了流体与结构间相互作用的发展.

高阶模态涡振锁定区间气动力展向相关性研究

由于涡激力沿展向并不完全相关,在均匀流条件下基于宽高比为5:1的矩形截面多点弹性支撑气弹模型,开展风洞试验,对气弹模型在高阶模态振动状态下以及静止状态下的涡激力展向相关性进行研究。研究结果表明:气弹模型的各竖弯模态均出现了频率相同的2个涡振区间,第1涡振区间的表观St数为0.22,第2涡振区间的表观St数为0.11;高阶模态振动状态下,不同模态的第1个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大值位于涡振幅值最大处,而第2个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大为位于涡振锁定区间的上升段而非涡振幅值的最大处,且与节段模型的升力变化规律相似;静止状态下气弹模型的升力展向相关性系数随着风速(雷诺数)的增加而表现出升高的趋势,且随展向间距增加而逐渐趋于0。

海底多跨管道涡激振动疲劳简化分析

多跨管道由于其自振频率低且相邻模态频率临近,容易在低流速下产生多模态涡激振动。针对长期作业的海底多跨管道,考虑遭遇海流流速变化以及涡激振动响应本身的随机性,多模态响应采用单频响应的等效组合,利用N-S曲线和Miner线性累积损伤准则进行悬跨涡激振动疲劳损伤简化预报,为深水悬跨管道初始设计提供参考。通过一输气多跨管道的疲劳累积损伤度的影响因素分析,结果表明:疲劳损伤对土壤刚度选取敏感;DNVRP-105规范中多模态响应缩减系数较振幅权重形式更保守;用Rayleigh分布描述涡激振动响应进程计算的疲劳损伤要高于恒幅稳态振动描述。

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,通过简化Scanlan经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明:在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)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。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。

流向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

用一种新近发展起来的格子Boltzmann方法(LBM)在相对较小的雷诺数(Re≤200)条件下模拟了不可压缩的流向振荡圆柱绕流问题,考查了涡脱落模态和升阻力特性.通过模拟,在近尾流区发现了实验研究中已经发现的对称/反对称的涡脱落模态,包括有些传统数值方法未发现的模态.研究了频率锁定区域的范围及其与振幅的关系,发现振幅越大,发生锁定的频率区域越宽.此外还对升阻力进行了定量意义的模拟,研究了振荡频率和振幅与升阻力的关系.

我国青藏高原气候动力学研究的近期进展

文章回顾了我国在青藏高原气象学的基础上发展起来的青藏高原气候动力学研究的近期进展 ;指出了青藏高原“感热驱动气泵 (SHAP)”在调制东亚季风及全球气候中的重要作用 ;在强调全球海陆分布所产生的“四叶型”加热LOSECOD激发出夏季副热带基本环流型的基础上指出高原的隆升增强了东亚季风的北伸 ;论述与青藏高原抬升相联系的高原负涡度源所激发的Rossby波对全球气候异常的影响 ,指出春季青藏高原的表面感热加热是造成东亚环流季节突变的重要原因 ,并导致亚洲夏季风首先在孟加拉湾东部地区爆发 ;

低雷诺数下翼型气动特性和涡脱落模态分析

基于多弛豫格子玻尔兹曼方法对低雷诺数下的二维翼型气动特性和尾流涡脱落特性进行了分析.为了提高计算准确性,采用分块网格细化算法对流场变化剧烈区域进行加密,采用格插值反弹格式处理曲线边界和动量交换方法计算升阻力.通过对及e=1 000时不同格点数目NACA0012绕流的数值模拟,验证了网格的无关性和算法的有效性.在低雷诺数下,流动呈现明显的非定常特性,引起前、后缘分离与再附以及涡脱落现象.研宄发现涡的脱落频率和模态随攻角的变化而变化,存在3种典型的涡脱落模态,即二单(2S)、二双(2P)和双+单(P+S)模态.

基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题,以牛顿定律为基础,建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程,引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型,以加速度耦合两非线性振子,提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型;采用二阶中心差分法,对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解,编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序,并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路,可解决风洞试验和数值软件(CFD)不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型,以1根330 m超长拉索为研究对象,分析了拉索多模态涡激振动特性,探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明:均匀流作用下,拉索发生涡激锁定现象,以单一模态发生振动,随着风速的增加,拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变;剪切流作用下,拉索发生多模态涡激振动,位移响应呈现"拍"的特点,振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内,存在2个或3个主导频率,主导频率全程参与振动,非主导频率间歇参与振动;拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态,随着风剖面指数的增加,涡激振动行波效应显著。

低雷诺数下双向受迫振动圆柱尾涡结构分析

本文使用本团队自主开发的一款通用统一的流体力学计算软件UCFD,在Re=100和Re=500时对横、纵双向受迫振动圆柱绕流进行了数值模拟研究,研究发现了一些新的涡结构:在横向振动的基础上增加纵向振动后,在Re=100时,随着纵向振幅的增大,在某些工况下,圆柱的尾涡结构会在2P和P+S模式之间变化;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.8D后,圆柱一周期脱落涡可达到5个;Re=500时,随着纵向振幅的增大,圆柱尾涡的2S与P+S结构分布逐渐减少,2P结构分布逐渐变多;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.6D后,在某些工况下圆柱一周期脱落5个涡。