波浪型斜拉索渦激振動實驗研究

鄒　琳，胡　勇，王漢封，汪　秒，徐漢斌

（1.武漢理工大學　機電學院，武漢430070；2.中南大學　鐵道學院風洞實驗室，長沙410000）

波浪型斜拉索渦激振動實驗研究

鄒琳1，胡勇1，王漢封2，汪秒1，徐漢斌1

（1.武漢理工大學機電學院，武漢430070；2.中南大學鐵道學院風洞實驗室，長沙410000）

針對目前改變斜拉索表面形狀來抑制斜拉索由風載荷引起的振動所遇到的問題，采用熱線風速儀、激光位移器測量和煙線等實驗方法，實驗研究在Re=6 800～20 480區域內波浪型斜拉索渦致耦合振動及頻率“鎖定”現象，并引入直斜拉索作為對比。實驗表明：在相同的質量比和阻尼比下，波浪型斜拉索λ/D=2和λ/D=6同直斜拉索同樣容易被誘導振動，波浪型λ/D=2比波浪型λ/D=6的減震效果要好，和直斜拉索相比，波浪型λ/D=2的誘導振動時最大振幅減小10%，鎖定區間變短，主要是由于隨著表面凹凸變化傾斜度較大，波浪型斜拉索表面的展向二次渦強度得以增強，一旦誘導振動，將干擾斜拉索的渦旋激勵，從而達到減震的目的。

振動與波；波浪型斜拉索；渦激振動；阻尼比；抑振；實驗研究

當流體繞過鈍體時，在一定流動工況下鈍體兩側會發生旋渦脫落的現象，交替的渦脫會誘發結構物在與來流垂直方向上產生周期性變化的流體作用力，致使結構物產生振動，嚴重時會使結構物損壞。這類渦激振動問題的研究已經成為基礎研究和工程領域中有意義的課題之一［1，2］。

斜拉橋是現代大跨度橋梁的主要橋型之一，由于斜拉索具有柔度大、質量輕、阻尼小等特性，使其在風載激勵下容易發生渦激振動（Vortex-induced Vibration）。由渦脫產生的大振幅振動易使柔性斜拉索發生疲勞損壞，嚴重時還會造成拉索失效［3］，面對這些現象，采取必要的控制措施已迫在眉睫。

渦激振動是一個非常復雜的流固耦合問題［4，5］，它涉及到許多學科，其中包括流體力學、結構力學、振動學、計算流體力學等。當流體的瀉渦頻率和結構的自振頻率相近時，就會發生所謂的“鎖定”（Lock-in）現象使得結構振動的幅值明顯增大。近年來研究結果表明［6］:改變鈍體表面形狀或附加額外的裝置可以改變繞流場，改變旋渦的形成和發展過程，從而達到減阻、減振的目的。LAM K.和Lin Y.F.［7］數值模擬發現在Re=80～150時，波浪型斜拉索靜止繞流的三維尾跡渦結構由于展向三維渦的產生能夠得到很好的控制，有效延緩繞流場附面層的分離，可以減少其所受到的阻力和升力。ZOU L和Lin Y. F.［8，9］數值計算了Re=3 000時，波浪型斜拉索同樣具有減阻減振效果。Feng［10］和Williamson［11］分別對大質量比和小質量比的直斜拉索圓柱模型進行了渦激振動的實驗研究，得到渦激振動的鎖定區間和振幅會隨著質量比和阻尼比的變化而變化，不同的振幅分支會出現相應的2S、2 P渦脫模式。但是波浪形狀對于斜拉索渦激振動的影響機制，國內外尚未見文獻報導，本文通過實驗方法，采用彈性阻尼系統研究兩種典型的波浪型斜拉索λ/D=2和λ/D=6渦激振動機制，并探明它們的減阻減振情況。

1　風洞實驗臺

1.1實驗幾何模型

如圖1為波浪型斜拉索的幾何模型示意圖，其幾何表面形狀由下式表述Dz=Dm+2acos（2πz/λ）（1）

Dm=（Dmax+Dmin）/2（2）式中Dz為波浪型斜拉索軸向直徑，Dm為波浪型斜拉索的平均直徑，Dmax為波浪型斜拉索軸向方向的最大截面直徑，Dmin為其最小截面直徑，a為波浪型斜拉索表面余弦曲線的幅值，λ為波長，兩種不同形狀的波浪型斜拉索幾何特征尺寸如表1所示，同時引入直徑Dm直斜拉索作對比研究，所有尺寸采用Dm進行無量綱化處理。

圖1　波浪型幾何模型

三種模型的質量比m?為振動結構體的總質量與其排開流體質量的比值，近似一樣m?=4M/（πD2Lρ）≈50.36，雷諾數變化區間Re=6 800 ～20 480，阻尼比ξ=0.001 2。

1.2實驗裝置

實驗在循環式小風洞（0.45 m×0.45m×2 m）實驗臺上進行，其風速v可在0～40 m/s范圍內連續變化。在實驗風速范圍內，壁面的邊界厚度約為20 mm，風速工作段的湍流度在0.2%以內，最大阻塞度為4%。采用鋁合金型材搭建實驗架，用機型夾將實驗架固定在實驗臺上，采用3D技術打印三種不同形狀的斜拉索實驗模型，將斜拉索模型放在風洞試驗段中心，上下分別吊2根彈簧，沿流向兩端采用細繩限制它的流向自由度，緩慢增加風速，直到看到實驗模型振動的現象。實驗用到的儀器有：熱線風速儀、激光位移器、煙線。

表1　實驗模型的幾何特征尺寸

圖2　波浪型斜拉索渦激振動實驗建模

2　結果與討論

2.1斜拉索渦激振動鎖定區域

圖3為不同形狀的斜拉索渦激振動下誘導振幅曲線，并引入Feng［10］和Williamson［11］對直圓柱的實驗研究結果作為比較，其中Feng［10］的質量比m?= 258，質量比m?比較大，振幅曲線出現兩個分支，最大振幅約為0.6 D；Williamson［11］文獻中m*=2.4，質量比m*比較小，振幅曲線出現三個分支（且兩個分支之間存在明顯不連續）：初支、上支和下支，最大振幅高達0.9 D，鎖定區間也變得更長，并且隨著約化速度的增加，一直保持著一段小幅度振動。m*越小，渦激共振的區間就越長；m?×ξ越小，最大振幅就越大。并且Williamson還發現從初支到上支之間的相互轉變，振幅會出現“滯后”現象，從上支到下支之間的轉變存在相位的躍變。本文的m*為50.36，實驗研究得出直斜拉索同樣具有三個分支，鎖定區域在約化速度Ur為3～12之間，上支的最大振幅達到0.7 Dm，近似于Williamson的結果。Sarpakaya［12］在Re=6 000 ～35 000，m?×ξ=0.052，最大振幅達到0.95 D，本文的m?×ξ=0.071，相對較大，同樣說明了實驗數據的可靠性。

圖3可以看出，波浪型斜拉索振動同樣存在三個分支，說明波浪型斜拉索在相同質量比和阻尼比的條件下也容易被誘導發生振動，λ/D=6的斜拉索在振動幅度上和直斜拉索基本一致，振動鎖定區間也很相似，都是約化速度Ur從3到11的變化區間。相比于λ/D=6，λ/D=2的斜拉索減振效果要好，上支最大振幅接近0.6 D，相對于直斜拉索減小了10%，振動鎖定區間也變短了，在約化速度Ur=10的時候誘導振動就停止了。

圖3　不同形狀斜拉索渦激振動下誘導振幅曲線

2.2直斜拉索渦激振動下尾流渦結構

直斜拉索靜止時，后尾跡形成穩定的渦結構（圖4（a））；隨著風速的增加，逐漸形成2S的渦脫模式（圖4（b）），渦變得密集且在一個振動周期內連續脫落兩個單渦，并靠近中心線排列著；進一步增加風速，振動幅度變大，渦向兩邊分離，尾跡變寬，出現兩列平行的渦（圖4（c））；當振幅達到最大時，斜拉索模型尾流會出現2P的渦脫模式（圖4（d）），一個周期內脫落兩對渦，一直持續到振動減弱，這些流動現象與文獻［13］一致。

圖4　直斜拉索渦激振動下尾流渦結構

2.3波浪型斜拉索渦激振動下尾流渦結構

LAM K.和Lin Y.F.［14］大渦模擬了靜止波浪型圓柱繞流，發現在的波浪型圓柱能達到18%的最佳減阻效果。波浪型斜拉索表面形狀隨展向變化，導致相對穩定的三維剪切層，將改變拉索表面的壓力分布，能起到減阻效果。圖5為波浪型斜拉索（λ/D=2）的尾流渦結構演變過程，從中可以發現：波浪型λ/D=2斜拉索，大截面和小截面的渦脫形態基本同步，渦結構盡管比較類似，但大截面后尾跡較小截面后尾跡寬，這可歸因于展向波浪形狀導致了大、小截面不同的流動分離點。相比于直斜拉索，波浪型斜拉索λ/D=2的振幅減小了10%（圖3），主要是由于隨著表面凹凸變化，傾斜度較大，波浪型斜拉索表面的展向二次渦強度得以增強，一旦誘導振動，將干擾斜拉索的渦旋激勵，從而達到減震的目的。而波浪型λ/D=6斜拉索其最大截面和最小截面的尾流渦結構，基本和直斜拉索一致，可能是由于其沿展向方向表面變化平緩。

2.4波浪型斜拉索渦脫頻率

圖6可以看出在鎖定區域內直斜拉索、波浪型λ/D=6和波浪型λ/D=2的鎖定頻率基本保持在7.4 Hz左右，波浪型λ/D=2離開振動區間后渦脫頻率略高于直斜拉索，而且大小截面的渦脫頻率基本一致。這也很好的支持了本文提出的兩個不同形狀的波浪型斜拉索減阻抑振效果不是很明顯的結論。

3　結語

實驗研究了兩種典型的波浪型斜拉索λ/D=2 和λ/D=6渦激振動機制。在臨界雷諾數下，對于相同的質量比和阻尼比，所提出的兩種不同形狀的波浪型斜拉索和直斜拉索同樣會被誘導振動。在鎖定區間里，渦脫落模式基本一致，渦脫頻率近似。波浪型λ/D=2斜拉索比λ/D=6斜拉索抑振效果相對較好，主要是由于隨著它的表面凹凸變化，傾斜度較大，波浪型斜拉索表面的展向二次渦強度得以增強，一旦誘導振動，將干擾斜拉索的渦旋激勵，從而達到減振的目的，導致振幅減小10%，振動區間也縮短。波浪型斜拉索的表面形狀與雷諾數對于其渦激振動以及振動狀態下響應是一個耦合的影響，其影響機制仍需進一步探索。

圖5　波浪型λ/D=2斜拉索的尾流渦結構演變過程

圖6　直斜拉索和波浪型斜拉索渦激振動下的渦脫頻率示意圖

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Experimental Study on the Vortex-induced Vibration of Wavy Stay Cabl

ZOU Lin1，HU Yong1，WANG Han-feng2，WANG Miao1，XU Han-bin1
（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070 China；2.Wind Tunnel Laboratory，Railway Institute，Central South University，Changsha 410000，China）

Considering the existing challenges in wind-induced vibration control of flexible stay-cables，a new modified wavy stay-cable was proposed to suppress the vibration and reduce the cable drag.By using hot-wire anemometer，laser displacement sensor，pressure scanning valve，smoke wire and some other experimental methods，the vortex-induced vibration （VIV）and the frequency lock-in phenomenon of the wavy stay cables at Re=6800-20480 were studied.The results were compared with those of the regular stay cable.The experimental results indicated that similar to the straight stay cable，the wavy stay cable withλ/D=2andλ/D=6can be induced the vibration easily at the same mass ratio and damping ratio.However，the vibration suppression effect of the wavy stay cables still exists.The vibration suppression effect of the wavy stay cable with λ/D=2is better than that of the wavy stay cable withλ/D=6.Compared with the straight stay cable，the maximum amplitude of the vortex-induced vibration can be reduced by 10%for the wavy-stay-cable，and the lock-in region is shortened. One of the main reasons is that the large variation of the modified wavy stay-cable surface can enhance the secondary spanwise vortex.Once the vortex vibration is induced，the large variation of the modified wavy stay-cable surface will interfere the vortex excitation so that the vortex shedding is controlled and the lift fluctuation is suppressed.

vibrationandwave；wavystaycable；vortex-inducedvibration；dampingratio；vibrationsuppression；experiment

TU311.3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.040

1006-1355（2015）05-0189-04

2014－12－22

國家自然科學基金項目（11172220）

胡勇（1988－），男，湖北武漢人，研究生，主要研究方向：流體誘導振動控制。

鄒琳，女，研究生導師。

E-mail:l.zou@163.com