D形斷面柱體馳振耦合氣動力特性試驗研究

馬文勇　鄧然然　盧金玉

摘要：覆冰導線馳振耦合氣動力特性的研究是解釋馳振機理的主要手段，也是開發(fā)氣動抑振措施的主要依據(jù)。以常被作為模擬導線覆冰形狀的D形斷面為研究對象，采用靜態(tài)氣動力、馳振響應及耦合氣動力測試風洞試驗，研究分析了D形斷面柱體的靜態(tài)氣動力特性，基于準定常假設(shè)的單自由度橫風向馳振理論預測了馳振發(fā)生的風向角及臨界風速，通過馳振響應及動態(tài)氣動力分析，揭示D形斷面馳振的氣動力變化過程。結(jié)果表明：D形斷面在來流與其直線側(cè)夾角為40。左右時易發(fā)生橫風向大幅振動；振動是由氣流的分離狀態(tài)隨風向角變化引起的，其響應的主要氣動力貢獻也來自分離點后的尾流區(qū)域。這種對分離點的敏感表明，通過控制氣流的分離點可以提供有效的抑制馳振措施。

關(guān)鍵詞：風洞試驗；D形斷面柱體；馳振不穩(wěn)定性；馳振響應；耦合氣動力

引言

以覆冰導線舞動為代表，馳振是一種發(fā)生在細長結(jié)構(gòu)上的、以橫風向為主的風致大幅振動，是一種氣動失穩(wěn)的流固耦合現(xiàn)象。目前，還無法從數(shù)學上系統(tǒng)描述流固耦合的過程，也沒有穩(wěn)定的數(shù)值求解方法，因此需要根據(jù)流固耦合特點將其簡化為諸如渦激共振、馳振及顫振等不同振動類型分別進行研究。

從斷面形狀上看，馳振發(fā)生在非圓形斷面上。以覆冰導線為例，覆冰改變了導線斷面形狀，形成了新月形、扇形或者類似于D形斷面；這種可能引起馳振的斷面形狀常被稱為馳振不穩(wěn)定斷面，其中D形常被用作模擬覆冰導線斷面研究其舞動現(xiàn)象，該斷面形狀也是唯一一種通過現(xiàn)場實測確認的馳振不穩(wěn)定斷面；從振動發(fā)生的方向上看，從橫風向單自由度振動，扭轉(zhuǎn)單自由度，彎扭耦合兩自由度，發(fā)展到目前的橫風向、順風向和扭轉(zhuǎn)向耦合的三自由振動。由于兩自由度和三自由度馳振實際上是由于結(jié)構(gòu)在各個方向自振頻率相同或存在倍數(shù)關(guān)系形成的結(jié)構(gòu)動力耦合，一般對于單根導線而言扭轉(zhuǎn)向自振頻率遠大于橫風向自振頻率，因此橫風向單自由度馳振模型仍然是馳振最主要的理論模型之一。

從耦合機理上看，馳振被認為是一種準定常過程，即馳振發(fā)生時，作用在結(jié)構(gòu)上的氣動力由來流風速和結(jié)構(gòu)運動速度決定，可以簡單描述為：結(jié)構(gòu)運動速度決定相對風向角、相對風向角決定平均氣動力。滿足準定常假設(shè)是馳振區(qū)分渦激共振和顫振的一個主要依據(jù)。這種假設(shè)由Den Hartog提出，并分別由Fung和Blevin給出了采用折減風速作為滿足準定常假設(shè)的量化判斷標準。該假設(shè)極大地簡化了馳振的研究模型。基于準定常假設(shè)，馳振任意時刻的動態(tài)氣動力可由對應相同相對風向角下的定常狀態(tài)的靜態(tài)氣動力描述。因此馳振發(fā)生的臨界風速以及馳振響應都可以通過不同風向角下的平均靜態(tài)氣動力進行分析。

由于馳振被認為是一種空氣動力失穩(wěn)現(xiàn)象，在工程設(shè)計中應當盡量避免其發(fā)生，因此工程設(shè)計人員對馳振臨界風速計算以及如何提高馳振臨界風速比較感興趣，加上馳振發(fā)生后索結(jié)構(gòu)本身復雜的幾何非線性以及馳振動態(tài)氣動力的非線性特點，對馳振響應尤其是馳振動態(tài)氣動力的研究很少。近年來，由于位于臨界雷諾數(shù)區(qū)氣動力的不穩(wěn)定性，準定常假設(shè)無法預測光滑斷面位于臨界雷諾數(shù)區(qū)的大幅振動（干索馳振），該假設(shè)的適用性以及馳振動態(tài)氣動力特性開始受到工程界的關(guān)注。事實上，雖然準定常假設(shè)在非臨界雷諾數(shù)區(qū)多種斷面形狀的馳振風向角及馳振臨界風速的估算上都得到了有效的驗證，但是發(fā)生馳振時的動態(tài)氣動力的變化規(guī)律研究幾乎未見報道。這種動態(tài)氣動力的變化規(guī)律不僅可以揭示馳振的耦合過程，也可以為開發(fā)馳振抑振措施提供依據(jù)。

以揭示D形的斷面馳振耦合過程及馳振耦合氣動力特點為目的，本文通過靜態(tài)模型測壓風洞試驗和彈性支撐模型測振及測壓試驗，對D形斷面的靜態(tài)氣動力、馳振響應、馳振耦合氣動力的特點進行了分析，并討論了準定常假設(shè)的適用性、D形斷面馳振耦合的氣動力特點及該氣動力的形成原因。