斜拉索气动特性的雷诺数效应试验研究.pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0120-06斜拉索气动特性的雷诺数效应试验研究邵林媛1，孙一飞1，常幸1，韩鹏1，王仰雪1，刘庆宽1,2,3(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043；2.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄050043；3.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，石家庄050043)摘要：斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，其气动特性研究是整体结构气动特性研究的基础。为探究表面光滑斜拉索气动特性的雷诺数效应，在均匀来流中进行了不同风速下的斜拉索节段模型风洞测压试验，得到了斜拉索气动力系数和平均风压系数随雷诺数的变化规律。结果表明：表面光滑斜拉索的平均气动力系数在不同雷诺数区有不同的表现，平均阻力系数在亚临界雷诺数区和超临界雷诺数区分别稳定在 1.2 和 0.6 附近，而平均升力系数为 0，临界雷诺数区平均阻力系数迅速减小，对应地，平均升力系数从 0 增加到最大值又降低到 0；对于脉动气动力系数，处于亚临界雷诺数区的脉动升力值远大于脉动阻力，意味着斜拉索横风向激励远大于顺风向；平均风压系数分布随雷诺数的增大经历了对称不对称对称的变化过程，体现了层流分离单侧湍流分离双侧湍流分离的变化规律，是平均升力系数变化趋势的定性响应，而斜拉索背压处平均基压系数绝对值的变化趋势与平均阻力系数一致。关键词：斜拉索；风洞试验；雷诺数；气动特性；风压分布中图分类号：U448.27；U441+.3文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S034EXPERIMENTALSTUDYONREYNOLDSNUMBEREFFECTOFAERODYNAMICCHARACTERISTICSOFSTAYCABLESSHAOLin-yuan1,SUNYi-fei1,CHANGXing1,HANPeng1,WANGYang-xue1,LIUQing-kuan1,2,3(1.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China;2.StateKeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandSystemSafetyofTrafficEngineeringStructures,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China;3.InnovationCenterforWindEngineeringandWindEnergyTechnologyofHebeiProvince,Shijiazhuang050043,China)Abstract:The stay cable is one of the main force members of cable-stayed bridges,and the study of itsaerodynamiccharacteristicsisthebasisforthestudyoftheaerodynamiccharacteristicsoftheoverallstructure.InordertoexploretheReynoldsnumbereffectofaerodynamicforceofstaycablewithsmoothsurface,thewindtunnelpressuremeasurementtestofstaycablesectionmodelunderdifferentwindspeedswascarriedoutunderuniformincomingflow,andthevariationlawofmeandragcoefficientandmeanwindpressurecoefficientofcable-staywithReynoldsnumberwasobtained.TheresultsshowthatthemeanaerodynamiccoefficientofthestaycablewithsmoothsurfacehasdifferentperformanceindifferentReynoldsnumberregions.Themeandragisstableat1.2and0.6inthesubcriticalReynoldsnumberregionandthesupercriticalReynoldsnumberregion,respectively.Themeanliftcoefficientis0.ThemeandragcoefficientdecreasesrapidlyinthecriticalReynolds收稿日期：2022-06-19；修改日期：2022-11-17基金项目：国家自然科学基金项目(51778381)；科技冬奥专项项目(21475402D)；河北省高端人才项目(冀办 201963 号)；石家庄铁道大学硕士研究生创新项目(YC2022014)；石家庄铁道大学硕士研究生创新项目(YC2022025)通讯作者：刘庆宽(1971)，男，河北人，教授，博士，博导，主要从事桥梁与结构的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:).作者简介：邵林媛(1996)，女，辽宁人，硕士生，主要从事桥梁风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:);孙一飞(1993)，男，河北人，博士生，主要从事桥梁风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:);常幸(1997)，男，河南人，硕士生，主要从事桥梁风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:);韩鹏(1997)，男，河北人，硕士生，主要从事桥梁风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:);王仰雪(1998)，男，安徽人，硕士生，主要从事桥梁风荷载、风致振动与控制研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS120numberregion.Correspondingly,themeanliftcoefficientincreasesfrom0tothemaximumandthendecreasesto0.Forthefluctuatingaerodynamicforce,thevalueofthefluctuatingliftinthesubcriticalReynoldsnumberregionismuchlargerthanthefluctuatingdrag,whichmeansthatthecross-windexcitationofthestaycableismuchlargerthanthealong-windexcitation.Thedistributionofthemeanwindpressurecoefficientexperiencedasymmetric-asymmetric-symmetricvariationprocesswiththeincreaseofReynoldsnumber,whichreflectedthevariationlawoflaminarseparation,unilateralturbulentseparationandbilateralturbulentseparation,andwasaqualitativeresponsetothevariationtrendofthemeanliftcoefficient.Thevariationtrendoftheabsolutevalueofthemeanbasepressurecoefficientatthebackpressureofthestaycablewasconsistentwiththemeandragcoefficient.Keywords:stay cable;wind tunnel test;Reynolds number;aerodynamic characteristics;wind pressuredistribution近年来，随着斜拉桥跨度的不断增加，桥梁风荷载和风致振动问题备受关注1。斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，对于千米级跨度的斜拉桥而言，斜拉索上的风荷载占到全桥风荷载很大比例，确定斜拉索的气动力是整体结构气动力研究的基础，把作用在斜拉索上的气动力控制在一个较小范围内，具有极其重要的实际工程意义2。在斜拉索的风致振动研究中，通常将斜拉索模型简化为具有理想圆截面的细长圆柱体，并通过风洞试验或数值模拟的研究手段进行气动稳定性分析3。COUTANCEAU 等4采用模型试验的方法首次发现了圆柱尾流流动状态与雷诺数之间的关系，在不可压缩情况下，光滑圆柱的尾流状态主要取决于雷诺数的大小。DERAKHSHANDEH等5研究了不同雷诺数下具有不同截面形状的钝体尾流特征，发现圆形截面受雷诺数的影响最大。RAGHAVAN 等6发现同斜拉索质量和阻尼相比较，雷诺数对斜拉索风致振动和气动力的影响更显著。苏铭德等7应用有限体积法对圆柱绕流进行了大涡模拟数值计算，对雷诺数为 100 和 2104的工况进行了计算，在层流及亚临界雷诺数下得出光滑圆柱的平均阻力系数。林志兴等8通过风洞试验证明光滑斜拉索的阻力系数具有明显的雷诺数效应，并拟合出斜拉索在各种倾角下的阻力系数计算公式。ACHENBACH9对高雷诺数下具有光滑表面的圆柱进行了气动力计算。ABRAHAMSEN等10、詹昊等11和 CATALANO 等12基于大涡模拟分别对亚临界雷诺数区、临界雷诺数区和超临界雷诺数区的光滑圆柱气动力系数和斯托罗哈数进行深入数值分析。综上所述，雷诺数对细长圆柱体的流场结构和气动力影响较大，雷诺数效应引起的气动力变化不容忽视，有必要对不同雷诺数下斜拉索的气动特性开展进一步的研究。以上研究主要针对光滑圆柱在不同雷诺数下的阻力系数和升力系数的分析、计算和预测，没有给出雷诺数在临界区时的风压分布变化特征和频谱特性。本文针对直径 120mm 的表面光滑斜拉索，在均匀流中进行不同风速下的测压试验，获得了不同雷诺数下升阻力系数平均值和均方根的变化情况以及风压分布规律。1风洞试验介绍斜拉索节段模型的测压试验在石家庄铁道大学风工程研究中心 STDU-1 风洞高速试验段进行，如图 1 所示，试验区尺寸为宽度 2.2m，高度 2m，长度5m。试验段可模拟的风速范围为0m/s80m/s，连续可调。当试验风速大于 3.7m/s 时，空风洞背景湍流度低于 0.2%，能模拟出很好的大气边界层风场13。1.1试验模型介绍在实际桥梁工程中，斜拉索直径一般在 78mm190mm14，考虑到实际斜拉索的截面尺寸比风洞试验段尺寸小很多，为保证相关参数相似，故采用直径 D=120mm 的实际截面尺寸斜拉索节段模型进行风洞试验研究。节段模型外部采用有机玻璃管制成，如图 2所示，能够模拟斜拉索出厂后架设到斜拉桥上的表面状态，内部贯穿通长钢管，有机玻璃和钢管之间通过环向加劲肋连接，模型具有足够的强度和刚度。为消除模型的端部效应，综合风洞尺寸和洞壁边界层的厚度等其他限制因素，设置节段模型工程力学121受力部分长度 L=1700mm，经计算得到阻塞度为4.64%，满足规范要求15。此外，在节段模型两端设置端板，考虑到不同端板尺寸对端部效应的影响效果不同，根据文献 16 的研究结果，最终确定采用直径 600mm(5D)、厚 10mm 以及具有 45边缘倒角的圆形端板。图2斜拉索节段模型示意图Fig.2Diagramofstaycablesegmentmodel为了对不同雷诺数下斜拉索的气动特性和风压分布规律进行分析，在模型中间截面处沿周向每隔 10布置一个测压点，均匀布置 36 个测点，如图 3 所示。布完测点后斜拉索节段模型表面仍光滑，后续试验发现测试结果非常合理，满足试验要求。CDCL=180=0=270=90图3测点布置图Fig.3Pressurepointlayoutdiagram1.2仪器设备介绍节段模型水平放置于高速段转盘中心上方位置，通过美国 PSI 公司生产的微型 ESP 压力扫描阀测量其表面受到的风压，扫描阀模块共有 64 个通道，每个通道量程均为2500Pa，测量精度为0.03%，采样频率为 330Hz，采集数据时间在本次试验中设定为 60s，充分保证数据结果的稳定性和准确性。试验过程中的风速及湍流度由 CobraProbe 探头监测，风速测量范围为 2m/s100m/s，风速测量精度为0.5m/s，响应频率为 2000Hz，采集数据时间在本次试验中设定为 30s，风速在采集过程中基本保持稳定。1.3试验参数定义试验所测得的原始风压数据为模型表面各测压点的风压值，通过式(1)可得到无量纲的风压系数，表示某个局部位置的风压与来流动压的比值。Cpi=PiPsPtPs(1)式中：Cpi为测点的风压系数；Pi为 i 测点的压力；Pt分和 Ps别为来流总压和静压。根据压力积分法，用式(2)计算升阻力系数。CD=NNi=1CpicosiCL=NNi=1Cpisini(2)式中：N 为采样个数；i为 i 测点与水平轴的夹角。2斜拉索的气动特性分析表面光滑斜拉索的平均升阻力系数随雷诺数的变化如图 4 所示。与其他文献 1719 对比，整体趋势保持一致，证明了本次试验结果的准确性。在亚临界雷诺数区，平均阻力系数稳定在 1.2附近，只存在微小波动，升力系数也稳定在 0 附近。随着雷诺数增大到临界区，平均阻力系数由最大值一直减小，至最小值 0.5 附近，同时，升力系数由 0 值增大到最大值 0.9 又减小到 0 值，这一现象可能与斜拉索上下表面相继出现的分离泡有高速试验段图1STDU-1 风洞Fig.1STDU-1windtunnel122工程力学关，将在后续部分作具体分析。随着雷诺数进一步增大到超临界区时，平均阻力系数小幅度增大后稳定在 0.6 附近，对应地，平均升力系数在 0 值附近保持不变。脉动气动力系数随雷诺数的变化规律如图 5所示，脉动阻力系数在亚临界雷诺数区和超临界雷诺数区保持平稳，在临界区发生较小变化，整体变化不大。而脉动升力系数与之相比，尤其是在临界雷诺数区，波动剧烈，在试验风速范围内，脉动升力系数均大于脉动阻力系数，说明斜拉索涡脱造成的横风向激励比顺风向激励剧烈。0.000.020.040.060.080.10脉动气动力系数105106雷诺数Re图5脉动气动力系数随雷诺数变化规律Fig.5VariationoffluctuatingaerodynamiccoefficientwithReynoldsnumber3斜拉索的风压分布分析3.1平均风压系数由气动力结果可知，随着雷诺数的增大，气动力系数会出现突变，可能与流场的不对称性有关，因此现对斜拉索的风压分布进一步分析。图 6给出了不同雷诺数下，斜拉索节段模型的表面风压系数分布规律。1051060.20.40.60.81.01.21.4雷诺数Re105106雷诺数Re亚临界临界超临界平均升力系数0.00.40.8平均阻力系数(1)本文CD文献17文献18文献19(a)平均阻力系数随雷诺数变化情况(b)平均升力系数随雷诺数变化情况图4平均气动力系数随雷诺数变化规律Fig.4VariationofmeanaerodynamiccoefficientwithReynoldsnumber0601201802403001012310123101231012310123060120180240300060120180240300060120180240300060120180240300060120180240300(a)Re=1.0105(d)Re=3.5105(e)Re=3.7105(f)Re=4.3105(b)Re=2.4105(c)Re=3.3105 10123图6斜拉索平均风压系数Fig.6Meanwindpressurecoefficientofstaycable工程力学123在雷诺数 Re=1105时，平均风压系数沿斜拉索上下表面呈对称分布，此时处于亚临界雷诺数区。当雷诺数 Re=2.41053.3105时，平均风压系数呈不对称分布，根据文献 20 可知此时流动状态呈单分离泡形式，下表面的平均风压最小值随雷诺数增大逐渐减小，这是因为单个分离泡在斜拉索的一侧形成，下表面正发生湍流分离，而上表面的数值基本没有变化，为层生阻力系数流分离状态，上下表面不同的分离状态产生了压力差，使得升力出现，对应着临界雷诺数区升力系数由 0 值往最大值 0.9 的发展阶段。当 Re=3.31053.7105时，随雷诺数的继续增加，为单分离泡到双分离泡的过渡阶段，斜拉索下表面的分离泡慢慢发展到极值状态后保持不变，上下表面压力差达到最大，对应最大升力系数，接着，斜拉索上表面的分离泡正逐渐产生，上下表面的压力差逐渐减小，升力系数从最大值开始往 0 值回落。在 Re=4.3105为双分离泡形式，上下表面的风压分布又回到对称状态，此时升力系数回到 0 值并保持稳定。此外，对于迎风侧的平均风压系数，在不同雷诺数下基本保持一致，但在背风侧，随着雷诺数的增加，平均风压系数随之增大，且均为负值，意味着横风向上的力随雷诺数增大呈现出减小趋势，即为平均阻力系数的定性响应。3.2风压频谱分析为研究斜拉索表面风压频率特性，对风压时程进行频域分析。雷诺数 Re=1.0105时，斜拉索表面 70110测点的风压系数功率谱如图 7 所示，测点位于气流分离区，功率谱可以反映出斜拉索的漩涡脱落特性。从图 7 可以看出，对于气流分离区的五个测点，风压频谱的趋势完全一致，且数值上也相差不大，斜拉索风压系数功率谱出现尖峰，幅值为 10 左右，有明显的能量分布，相对应的无量纲频率都在 0.2 附近，即为斯托罗哈数 St。0.00.10.20.30.40.5024681012幅值幅值无量纲频率fD/U无量纲频率fD/U幅值幅值幅值(a)=70(b)=80无量纲频率fD/U(c)=90无量纲频率fD/U(d)=100无量纲频率fD/U(e)=110幅值024681012幅值无量纲频率fD/U0.00.10.20.30.40.5无量纲频率fD/U024681012幅值024681012幅值024681012幅值(a)=70(b)=800.00.10.20.30.40.5无量纲频率fD/U(c)=900.00.10.20.30.40.5无量纲频率fD/U(d)=1000.00.10.20.30.40.5无量纲频率fD/U(e)=110图7不同测点的风压系数功率谱Fig.7Powerspectrumofwindpressurecoefficientatdifferentmeasuringpoints4结论本文通过不同风速下的斜拉索节段模型测压试验，对斜拉索气动特性随雷诺数的变化规律进行研究，得到如下结论：(1)表面光滑斜拉索的平均升阻力系数在不同的雷诺数区有不同的表现，在亚临界雷诺数区和超临界雷诺数区平均和脉动升阻力系数都比较稳定，但在临界雷诺数区，平均阻力迅速减小，平均升力系数增大到最大值又下降回初始值，脉动124工程力学升力的波动远大于脉动阻力。(2)平均风压系数分布曲线随雷诺数的增大经历了对称不对称对称的变化过程，体现了层流分离单侧湍流分离双侧湍流分离的变化规律。参考文献：SEIDELC,DINKLERD.Rainwindinducedvibrationsphenomenology,mechanical modelling and numericalanalysisJ.Computers&Structures,2006,84(24):15841595.1陈政清,李寿英,邓羊晨,等.桥梁长索结构风致振动研究新进展J.湖南大学学报(自然科学版),2022,49(5):18.CHENZhengqing,LIShouying,DENGYangchen,etal.Recentchallengesandadvancesonstudyofwind-inducedvibrations of bridge cablesJ.Journal of HunanUniversity(Natural 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