《D形断面柱体驰振耦合气动力特性试验研究》-工学论文，振动工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

D形断面柱体驰振耦合气动力特性试验研究

范文

马文勇　邓然然　卢金玉

摘要：覆冰导线驰振耦合气动力特性的研究是解释驰振机理的主要手段，也是开发气动抑振措施的主要依据。以常被作为模拟导线覆冰形状的D形断面为研究对象，采用静态气动力、驰振响应及耦合气动力测试风洞试验，研究分析了D形断面柱体的静态气动力特性，基于准定常假设的单自由度横风向驰振理论预测了驰振发生的风向角及临界风速，通过驰振响应及动态气动力分析，揭示D形断面驰振的气动力变化过程。结果表明：D形断面在来流与其直线侧夹角为40。左右时易发生横风向大幅振动；振动是由气流的分离状态随风向角变化引起的，其响应的主要气动力贡献也来自分离点后的尾流区域。这种对分离点的敏感表明，通过控制气流的分离点可以提供有效的抑制驰振措施。

关键词：风洞试验；D形断面柱体；驰振不稳定性；驰振响应；耦合气动力

引言

以覆冰导线舞动为代表，驰振是一种发生在细长结构上的、以横风向为主的风致大幅振动，是一种气动失稳的流固耦合现象。目前，还无法从数学上系统描述流固耦合的过程，也没有稳定的数值求解方法，因此需要根据流固耦合特点将其简化为诸如涡激共振、驰振及颤振等不同振动类型分别进行研究。

从断面形状上看，驰振发生在非圆形断面上。以覆冰导线为例，覆冰改变了导线断面形状，形成了新月形、扇形或者类似于D形断面；这种可能引起驰振的断面形状常被称为驰振不稳定断面，其中D形常被用作模拟覆冰导线断面研究其舞动现象，该断面形状也是唯一一种通过现场实测确认的驰振不稳定断面；从振动发生的方向上看，从横风向单自由度振动，扭转单自由度，弯扭耦合两自由度，发展到目前的横风向、顺风向和扭转向耦合的三自由振动。由于两自由度和三自由度驰振实际上是由于结构在各个方向自振频率相同或存在倍数关系形成的结构动力耦合，一般对于单根导线而言扭转向自振频率远大于横风向自振频率，因此横风向单自由度驰振模型仍然是驰振最主要的理论模型之一。

从耦合机理上看，驰振被认为是一种准定常过程，即驰振发生时，作用在结构上的气动力由来流风速和结构运动速度决定，可以简单描述为：结构运动速度决定相对风向角、相对风向角决定平均气动力。满足准定常假设是驰振区分涡激共振和颤振的一个主要依据。这种假设由Den Hartog提出，并分别由Fung和Blevin给出了采用折减风速作为满足准定常假设的量化判断标准。该假设极大地简化了驰振的研究模型。基于准定常假设，驰振任意时刻的动态气动力可由对应相同相对风向角下的定常状态的静态气动力描述。因此驰振发生的临界风速以及驰振响应都可以通过不同风向角下的平均静态气动力进行分析。

由于驰振被认为是一种空气动力失稳现象，在工程设计中应当尽量避免其发生，因此工程设计人员对驰振临界风速计算以及如何提高驰振临界风速比较感兴趣，加上驰振发生后索结构本身复杂的几何非线性以及驰振动态气动力的非线性特点，对驰振响应尤其是驰振动态气动力的研究很少。近年来，由于位于临界雷诺数区气动力的不稳定性，准定常假设无法预测光滑断面位于临界雷诺数区的大幅振动（干索驰振），该假设的适用性以及驰振动态气动力特性开始受到工程界的关注。事实上，虽然准定常假设在非临界雷诺数区多种断面形状的驰振风向角及驰振临界风速的估算上都得到了有效的验证，但是发生驰振时的动态气动力的变化规律研究几乎未见报道。这种动态气动力的变化规律不仅可以揭示驰振的耦合过程，也可以为开发驰振抑振措施提供依据。

以揭示D形的断面驰振耦合过程及驰振耦合气动力特点为目的，本文通過静态模型测压风洞试验和弹性支撑模型测振及测压试验，对D形断面的静态气动力、驰振响应、驰振耦合气动力的特点进行了分析，并讨论了准定常假设的适用性、D形断面驰振耦合的气动力特点及该气动力的形成原因。

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