大跨度桥梁气动控制措施的数值研究

论文摘要

随着现代材料、桥梁设计和施工水平的不断进步,桥梁结构向更大跨度、更柔方向发展,对风的作用更加敏感,风的作用成为控制桥梁设计的重要因素,桥梁风致振动问题成为桥梁工程界和风工程领域的研究重点。而通过设置控制措施改善桥梁气动稳定性的研究己引起极大的关注,出于经济、美观与方便的考虑,在主梁上采取一些气动控制措施,是振动控制研究的重点。迄今为止,风洞试验仍然是评价气动稳定性的最根本的方法。但风洞试验一般周期长,费用高,需要复杂昂贵的测试设备,同时风洞中气流可视化十分困难,给揭示桥梁和气流之间的相互作用机理研究带来很大障碍。计算机技术和计算流体动力学（CFD）的发展给桥梁抗风研究提供了一种可能代替风洞试验的有效手段。本文运用数值方法对大跨度桥梁的抗风性能进行探讨和研究,主要概括为以下几个方面：1、阐述了大跨度桥梁风致振动的国内外研究现状,介绍了FLUNET软件的使用,以及分状态强迫振动法识别桥梁截面的气动力和颤振导数方法,以及采用Scanlan颤振临界风速识别方法计算桥梁颤振临界风速。2、基于数值计算原理及模拟方法,在-3。、O°、+3°攻角下,从流场分析、颤振导数比较及颤振临界风速来讨论在桥梁截面两侧设置不同宽度的稳定板,对桥梁抗风性能的影响。同时将数值算法识别得到的颤振临界风速与全桥气动弹性模型风洞试验值进行比较分析。3、在O°攻角下,研究设置不同高度的中央稳定板对桥梁抗风性能的影响,分别从流场、颤振导数及颤振临界风速来分析。从分析结果可以看出,设置不同高度的中央稳定板后,大大改变了梁体周围的流场特性,提高了桥梁的颤振临界风速。4、在O°攻角下,在某主梁截面上采取不同的气动控制措施（包括仅设导流板或中央稳定板、同时设置导流板和中央稳定板）,通过比较分析,确定应该采取何种形式的气动控制措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的背景
• 1.2 桥梁结构风致振动控制措施
• 1.3 桥梁气动控制措施的国内外研究现状
• 1.4 CFD在桥梁工程中的应用
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 CFD计算原理及模拟方法
• 2.1 流体运动的控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 标准k-ε模型
• 2.2.2 RNG k-ε模型
• 2.2.3 Realizab k-ε模型
• 2.2.4 k-w模型
• 2.2.5 Spalart-Allmaras模型
• 2.2.6 雷诺应力模型
• 2.3 气动力的描述
• 2.4 颤振导数的数值计算原理
• 2.5 颤振临界风速的计算方法
• 2.6 FLUENT软件的使用
• 2.6.1 FLUENT可以求解的问题
• 2.6.2 FLUENT分析方案制定
• 2.6.3 FLUENT求解步骤
• 2.7 本章小结
• 第三章 设置导流板对颤振稳定性的影响
• 3.1 计算模型及网格
• 3.2 设置导流板后的颤振理论分析
• 3.3 流场分析
• 3.4 设置导流板气动导数比较
• 3.5 设置导流板对颤振临界风速的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 设置中央稳定板对颤振稳定性的影响
• 4.1 计算模型及网格
• 4.2 流场分析
• 4.3 设置中央稳定板气动导数比较
• 4.4 设置中央稳定板对颤振临界风速的影响
• 4.5 同时设置中央稳定板和导流板
• 4.6 本章小结
• 第五章 结语
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果