临界和超临界雷诺数下缆索承重桥并列索静风荷载和尾流干扰失稳

Parallel cables of long span cable-supported bridges usually work in the range of critical and post-critical Reynolds numbers under the conditions of high winds and typhoons. However, researches on wind effects on parallel cables are very limited in critical and post-critical regime. This proposal hence studies wind loads and wake-induced instabilities of parallel cables in critical and post-critical regime using wind tunnel test and theoretical analysis. Firstly, based on extensive researches of the effects of Reynolds number, the surface roughness of typical prototype cables and the inflow turbulence on aerodynamics of parallel cables, a new method of evaluating wind loads including the influence of across-wind lift will be suggested. Secondly, the instability conditions and vibration characteristics of prototype cables will be investigated to clarify the spacing ratio and the onset velocity under which the wind-induced instabilities occur. Thirdly, flow mechanisms of the instabilities are to be explained by investigating energy transfer and evolution of flow field under the influence of Reynolds numbers and cable vibration. Furthermore, a new analytical method considering Reynolds number effects will be proposed as well as an approximate stability criterion which is used to evaluate critical velocity above which the instabilities can be expected. Finally, the new analytical modelling will be applied to analyze fluid-structure interaction between air flow and cable, aiming to elucidate the mechanisms of the wake-induced instabilities. This study will contribute to both scientific study and rational wind resistance design of parallel cables of large span cable-support bridges.

在强/台风作用下，大跨度缆索承重桥并列索（并列吊索和并列斜拉索）经常工作在临界和超临界雷诺数区域，但以往在临界和超临界区对并列索的抗风研究非常有限。本项目着重在临界和超临界区研究并列索的静风荷载和尾流干扰失稳问题，以风洞试验和理论分析为主要研究手段，考虑原型索的表面条件和来流湍流度影响，研究并列索的气动性能及其雷诺数效应，提出新的考虑横风向升力作用的并列索静风荷载计算方法；研究并列索尾流干扰失稳的发生条件、振动特性和参数影响，明确典型原型索的失稳间距和失稳风速；研究并列索的流场特性及其雷诺数影响，研究并列索振动过程中流场特性的演化、气流与索之间的能量转换，揭示并列索失稳的流场驱动机理；建立考虑雷诺数效应的尾流干扰失稳理论分析方法，研究风和索的动力耦合效应，澄清尾流干扰失稳的发生机理，提出失稳临界风速的预测公式。本项目的研究对大跨度缆索承重桥并列索的抗风研究和抗风设计均具有重要意义。

在强/台风作用下，大跨度缆索承重桥并列索（并列吊索和并列斜拉索）经常工作在临界和超临界雷诺数区域，但以往在临界和超临界区对并列索的抗风研究非常有限。本项目着重在临界和超临界区研究并列索的静风荷载和尾流干扰失稳问题，主要研究内容和结果包括：. (1) 以串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象，主要通过风洞试验和数值模拟方法研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹，研究了提高结构阻尼比的减振效果，讨论了尾流驰振的雷诺数效应。研究表明，在某些风攻角下，下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅；在不同风向角下存在两种不同机理的尾流干扰失稳现象；提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振，但对尾流驰振和尾流颤振的减振效果不佳。. (2) 采用大涡模拟方法，在高雷诺数(Re=1.4e5)下，以间距比P/D=1.5~4的静止双圆柱为对象，研究了下游圆柱的气动力系数、风压系数以及流场特性随风向角的变化规律，分析了下游圆柱气动力与流场结构的内在关系，基于圆柱壁面摩擦系数和干扰流态探讨了下游圆柱气动性能的流场机理。研究表明：对于小间距错列双圆柱(P/D=1.5~3)，下游圆柱还会受到很大的平均升力作用（内侧升力），下游圆柱的风压停滞点偏移、高速间隙流和间隙侧壁面的分离泡是出现这一升力的主要原因；对于间距较大的错列双圆柱(P/D=3~4)，下游圆柱也会受到明显的平均升力作用（外侧升力），但其机理与小间距时不同。. (3) 通过风洞试验，在雷诺数Re=0.9e5~4.6e之间（涉及亚临界、临界和超临界雷诺数区）研究了不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明：并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应，临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异；在临界雷诺数区域，下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变，这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关；受上游圆柱的尾流干扰，在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上，远大于下游圆柱的平均阻力系数，因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。. 本项目的研究对大跨度缆索承重桥并列索的抗风研究和抗风设计均具有重要意义。

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