仿生溝槽表面減振機理及其在橋梁上的應用

羅益澤

1 鯊魚溝槽減阻減振表面及其現有的仿生應用

鯊魚在海水中以驚人的速度游動,其表面覆蓋一層獨特的盾鱗。盾鱗的基板上具有縱向排列的肋條,肋條之間形成圓底溝槽。

20世紀70年代NASA蘭利研究中心發現,鯊魚微小溝槽(肋條)表面能有效地降低壁面的摩阻。在這之后國內外科學家投入仿生溝槽減阻機理的研究,并取得令人鼓舞的豐碩成果,與此同時相應的仿生溝槽減阻技術投入實際生產應用中。如20世紀80年代德國飛機制造商利用帶仿生溝槽的飛機機身使飛機節省8%的燃油;國際泳衣品牌speedo公司生產具有仿生溝槽表面的減阻泳衣,獲得3%～5%水下減阻效果;國產運七飛機表面貼上仿生溝槽可減小5%～8%阻力。以上表明仿生溝槽減阻技術得到一定的應用并取得良好的減阻效果,但仿生溝槽的減阻特性的應用還具有非常大的潛力,它還可以應用到更多的工程領域;而且以前科學家和現在科學家主要集中在鯊魚溝槽減阻特性的研究,而對其減振特性少有研究。在鯊魚溝槽減阻機理基礎之上,結合鯊魚仿生溝槽在現代橋梁上的應用,深入探究其在橋梁結構中的減振機理具有重要的意義。

2 鯊魚溝槽減阻機理和仿生溝槽在橋梁結構中減振機理的探究

2.1 現有的兩種假說解析鯊魚溝槽減阻機理

雖然眾多研究員已經證實鯊魚溝槽表面具有良好的減阻效果,但對其機理還沒有確切的定論。目前普遍存在兩種論說:其中“二次渦”論認為溝槽結構和流向渦作用產生二次渦,二次渦減弱低速帶運動的不穩定性,導致溝槽表面摩阻的減小;另一種“突出高度”論強調,溝槽增加了邊界層中的粘性層的厚度,促使溝槽內保留低速的流體,從而降低摩阻。

2.2 仿生溝槽在橋梁結構中的應用和其減振機理的探究

2.2.1 風對橋梁結構的作用

風對橋梁結構的動力作用是指結構在風作用下的空氣彈性動力響應。這將是重點探究對象。其分類如下:1)渦振:由于橋梁結構幾乎都是非流線形,風吹過,氣流從構件表面剝離,渦流從橋梁結構構件脫離的頻率與風的速度成正比,與構件的斷面尺寸成反比,渦流給予橋梁相同頻率變化的升力,俯仰力矩及以2倍頻率變化的阻力,當渦流的脫離頻率和橋梁結構的固有頻率相同時,就會產生強烈的共振。2)顫振:對照旋渦脫落現象,振動的橋梁從流動的風中吸收能量,由此產生顫振。吸收能量的大小與橋梁振動頻率,邊界層風速成正比。3)抖振:抖振由來流的脈動成分抖振力和紊流繞過結構產生的脈動力共同產生。4)馳振:馳振是一種發散的橫風向單自由度彎曲自激振動,可分為橫流馳振和尾流馳振。其中顫振和馳振屬于自激振動,抖振為強迫振動,而渦振具有自激振動和強迫振動兩種屬性。

2.2.2 橋梁減振機理

空氣流是一種低粘性流體,因此比起“突出高度”論、“二次渦”論更適合解析橋梁減振原理,另外“二次渦”論為眾多實驗觀察和模擬仿真所證實,而鯊魚溝槽減少單位展長內低速流帶條數目已為robinson等人的實驗觀察所證實。因此“二次渦”論更為合理。下面取以有入口速度為 u的風吹向設置仿生溝槽的梁表面和平直的梁表面為研究對象,通過探討兩種表面邊界層空氣流的運動形態,進一步探究其在橋梁結構中的減振機理。

1)速度為u的風吹過平直梁表面,梁表面的流體形態如圖1,圖2所示。從圖1中可以看到,單位展長內流向渦的數目多;在圖2中發現梁表面邊界層流體極不穩定,存在數目多的低風速帶和距梁后端很近的卡曼旋渦。2)速度為 u的風流過設置有仿生溝槽的梁表面,梁表面的流體形態如圖3,圖4所示。從圖 3可以看到,單位展長內流向渦的數目減少,在圖4中發現梁邊界層流體運動變得穩定,只存在少數的低風帶和距梁后端較遠的卡曼旋渦。

綜合分析探究橋梁的減振機理:1)仿生溝槽與流向渦作用產生與流向渦方向相反的二次渦,二次渦與流向渦相互作用,進而削弱流向渦的強度和限制流向渦的展向運動,從而削弱流向渦對橋梁的作用強度。2)二次渦限制流向渦的展向運動,進而削弱了它們集結低速流體和向上抬升流體的能力,從而減弱氣流從橋梁表面的剝離能力,即降低了氣流從橋梁表面剝離頻率和強度,達到減弱渦振的效果。3)由于集結低速流體和抬升低速流體能力的削弱,降低了湍流猝發的強度,進而促使溝槽表面邊界層流體速度脈動和壓力脈動減弱,從根本上達到減弱抖振的效果。4)隨著溝槽表面邊界層流體運動穩定性的提高,溝槽表面邊界層存在穩定的低速流帶,因此有效地將溝槽表面和外部高速流體隔開,使外部高速流體從低速流帶上流過,而不是直接從溝槽表面流過,降低了橋梁從風中吸收能量的能力,從而減弱了由振動橋梁從風中吸收能量而產生的顫振。5)溝槽表面邊界層存在穩定的低風速帶,并將溝槽表面和高風速不穩定流體隔開,因此當風離開梁后端時,沿梁頂面和底面延伸的水平面仍保持較穩定的低速流體,進而增大了尾流中的卡曼漩渦在梁后端的形成距離,從而減弱了由尾流作用產生的尾流馳振。

2.2.3 溝槽尺寸的設計及其在橋梁設計上的應用

科研人員對鯊魚溝槽的幾何形貌進行了實驗觀測。其中Luchini發現溝槽高度(h)與間隔(s)之比 h/s≥0.6倍時,減阻效果較好,這一結果啟示了Bruse在原有的溝槽間插入一小薄片,這樣可能抑制流體在原有溝槽間的紊流,達到減阻效果;而Bchert等人發現,h/s=0.5時減阻效果更好,比照光滑表面減阻9.9%,并認為當h/s＞0.6時,減阻效果可隨高度增加而增加。由于鯊魚溝槽表面減振機理是在其減阻機理基礎上,結合其在橋梁的應用,探索出減振理論。因此其最佳減振尺寸和其減阻尺寸相近。在還沒有完全精確得出其最佳減振尺寸之前,以上減阻尺寸在生產實踐中具有重要的指導意義,用在橋梁的減振尺寸可以大致按照以上尺寸設計。橋梁結構中的主梁,塔柱,鋼索是重要的承重結構構件,也是橋梁結構承受風作用的主要構件。

2.3 仿生溝槽在橋梁工程應用的展望

進入21世紀,隨著造陸和人工島活動的頻繁開展,橋梁趨于長跨度化,輕質化,高強化。因此對橋梁的抗風性能提出了前所未有的要求,橋梁工程中的抗風設計成為整個橋梁設計中控制性設計。而自然界蘊含著無窮的奧妙,值得不斷地探索和學習。盡管鯊魚仿生溝槽在未來橋梁的發展應用中會遇到困難,但隨著仿生學技術水平的提高和仿生溝槽在橋梁中的減振機理的不斷深入研究,鯊魚仿生溝槽在橋梁工程中的應用將會無止境。

3 結語

在此向在探索鯊魚溝槽減阻機理工作中投入大量精力的科研工作者和廣大橋梁專家,表示崇高的敬意。

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