湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究_刘庆宽.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 23 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．23 2019 基金项目国家自然科学基金面上项目 51778381 ; 河北省自然科学基 金重点项目 E2018210044 收稿日期2018 －05 －16修改稿收到日期2018 －08 －20 第一作者 刘庆宽 男， 博士， 教授， 1971 年生 通信作者 贾娅娅 女， 博士， 讲师， 1987 年生 湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究 刘庆宽1， 2，赵桂辰3，安苗3，贾娅娅1， 2，马文勇1， 2，刘小兵1， 2 1． 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所， 石家庄050043; 2． 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室， 石家庄050043; 3． 石家庄铁道大学 土木工程学院， 石家庄050043 摘要大跨度斜拉桥斜拉索为典型的风敏感结构， 并且处在复杂的湍流环境中， 来流湍流度对斜拉索的气动性 能影响十分显著。对斜拉索模型在不同湍流度下进行风洞试验， 测得斜拉索的表面压力， 对比分析同一湍流度下斜拉索 气动力系数随雷诺数的变化规律， 以及同一雷诺数斜拉索气动力系数随湍流度的变化规律。结果表明 湍流度使得雷诺 数效应提前， 湍流度越大， 气动参数的雷诺数效应提前的越多; 湍流度增加， 迎风侧脉动风压系数也会增大; 雷诺数越小， 不同湍流度下斜拉索的压力系数值相差越大， 而在大雷诺数下， 其值越接近。 关键词斜拉索; 风洞试验; 湍流度; 风荷载; 雷诺数效应 中图分类号TU312文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 23． 014 Tests for impacts of turbulence on Reynolds number effect of stayed cables LIU Qingkuan1， 2，ZHAO Guichen3，AN Miao3，JIA Yaya1， 2，MA Wenyong1， 2，LIU Xiaobing1， 2 1． Institute of Structural Health Monitoring ＆ Control，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China; 2． Hebei Provincial Key Lab of Structural Health Monitoring and Control，Shijiazhuang 050043，China; 3． School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China Abstract Cable- stayed cables of a long- span stayed cable bridge are typical wind sensitive structures under a complex turbulent environment． Incoming flow turbulence has a very significant influence on aerodynamic perance of stayed cables． Wind tunnel tests were conducted for stayed cable model under different turbulences to measure stayed cables’surface pressure． Under the same turbulence，variation law of stayed cable’ s aerodynamic coefficient with Reynolds number and variation law of that with turbulence under the same Reynolds number were analyzed contrastively． The results showed that turbulence makes Reynolds number effect in advance，the larger the turbulence，the earlier the Reynolds number effect; with increase in turbulence， fluctuating wind pressure coefficient on windward side increases; the smaller the Reynolds number，the larger the differences among stayed cable’ s pressure coefficients under different turbulences，while the larger the Reynolds number，the smaller the differences． Key wordsstayed cables;wind tunnel test;turbulence;wind load;Reynolds number effect 大跨径斜拉桥斜拉索由于自身的结构特点使得风 荷载及其响应问题变得尤为重要和突出。影响斜拉索 气动性能的主要因素有雷诺数、 表面粗糙度、 来流湍流 度等， 这些影响因素之间互相关联、 互相制约。 其中， 斜拉索的雷诺数效应一直是被关注的重要 基础问题， 国内外学者对斜拉索的雷诺数效应研究较 多， 详细的研究了斜拉索气动力随雷诺数的变化规 律 ［1- 6 ］。然而实际工程中斜拉索处于复杂的湍流环境 中， 风洞试验研究斜拉索气动参数的雷诺数效应问题 一般都在来流湍流度强度很低的风洞中进行。因此在 研究斜拉索气动参数的雷诺数效应问题中考虑湍流强 度的影响十分有必要。Surry 等 ［7- 9 ］研究了湍流度对斜 拉索模型表面压力系数的影响， 发现湍流度对斜拉索 表面的平均压力系数及脉动压力系数均有影响。在研 究中得出 Re 越小， 不同湍流度的压力系数值相差越 大， 而在大 Re 下， 其值越接近。Batham 等 ［10- 12 ］研究了 不同湍流度下的气动力系数， 得知湍流度对气动力系 数影响很大。目前， 关于来流湍流度对斜拉索气动性 能影响的研究仍很缺乏， 相关试验研究有待补充。 本文考虑实际大跨度斜拉桥的斜拉索所处风场中 的湍流度， 分别在均匀来流和 2． 4、 4． 5、 5． 6、 ChaoXing 8． 0及 11． 0的湍流度下对斜拉索模型进行了测压 试验， 对比分析了同一湍流度下斜拉索气动力系数随 雷诺数的变化规律， 以及不同雷诺数及同一雷诺数不 同湍流度下的斜拉索气动力系数随湍流度的变化规 律， 为今后的斜拉桥结构设计和相关试验研究提供 参考。 1风洞试验 1． 1试验条件 风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心 STU- 1 风洞的低速试验段内进行， 试验段宽 4． 38 m， 高 3． 0 m， 长 24． 0 m， 最大风速 30． 0 m/s， 背景湍流度小于等 于 0． 2， 风洞的平面结构如图 1 所示。 图 1风洞结构平面图 Fig． 1Plane map of wind tunnel 1． 2试验模型与试验工况 斜拉索模型采用圆形断面［13- 14 ］， 由有机玻璃圆管 制成， 表面光滑， 直径 D 450 mm， 长度 L 2 500 mm， 竖直放置在风洞的转盘中心处， 通过连接件与风洞顶 部固定。使用微型压力扫描阀测量斜拉索表面压力， 采样时间为 30 s， 频率为 330 Hz。通过眼镜蛇三维脉 动风速测量仪 Cobra Probe 测得的模型上游与格栅之 间来流的风速， 同时测量洞体内温度、 相对湿度和大气 压， 以计算试验的雷诺数。本试验的雷诺数范围为 8 104到 4． 2 105之间， 通过调节风速得到不同的试验 雷诺数， 采用格栅、 尖劈、 粗糙元等实现不同的来流湍 流度。 试验的湍流度以苏通长江公路大桥的斜拉索为参 考确定。该桥斜拉索共有 8 种规格， 其中 A1 索索塔上 部锚固端高出常水位 226 m， 锚固的梁面高出常水位 74 m［15- 18 ］， 按照规范湍流度沿高度的分布根据下式 计算 Iz z I10Iz z 1 Iz z z 10 －α 2 由公式计算出 74 m 高度处在 A 类地貌下湍流度 为 9． 4， B 类地貌下的湍流度为 10． 4， 湍流度随高 度的增加而减小。具此， 本试验采用的最大湍流度定 为 11． 0， 其它湍流度工况分别为 8． 0、 5． 6、 4． 5、 2． 4及均匀流， 能够覆盖 A 类地貌及 B 类地貌 下斜拉索整个高度范围内的湍流度。 2气动力系数试验结果分析 将试验测得的风压系数通过公式 3～ 6 计算 得到不同湍流度下斜拉索模型的平均气动力系数和脉 动力系数随雷诺数的变化规律。 CD FD 1 2 ρU 2D ∑ i Pi 1 2 DΔθicos θi 1 2 ρU 2D 3 CL FL 1 2 ρU 2D ∑ i Pi 1 2 DΔθisin θi 1 2 ρU 2D 4 CD ∑ N i 1 CD t－ CD 槡 N 5 CL ∑ N i 1 CL t－ CL 槡 N 6 式中 CD、 CL、 C D、 CL分别为平均阻力系数、 平均升力系 数、 脉动阻力系数和脉动升力系数; FD、 FL分别为平均 阻力和平均升力; U 为来流风速; D 为模型直径; ρ 为空 气密度。 不同湍流度下斜拉索模型的平均阻力系数和脉动 阻力系数随雷诺数的变化如图 2 和图 3 所示。由图 2 可见当来流为均匀流的时候， 在亚临界状态， 平均阻力 系数基本保持在 1． 0 左右; 随着雷诺数的增加， 大概在 3． 5 105左右进入临界状态时， 平均阻力系数开始大 幅度下降， 下降到最低点之后保持平稳。而当来流湍 流度为 2． 4时， 平均阻力系数在雷诺数大约为 1． 1 105时就开始大幅度下降了， 并且在雷诺数约为 2． 4 105时平均阻力系数就已经下降到最低点并保持稳定。 当湍流度增加到 4． 5时， 在试验测得的最小雷诺数约 为 8． 0 104时平均阻力系数就已经处于迅速下降的阶 段了， 而在雷诺数约为 1． 8 105时下降到最低点。 当 图 2平均阻力系数曲线 Fig． 2Curve of average resistance coefficient 79第 23 期刘庆宽等湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究 ChaoXing 图 3脉动阻力系数曲线 Fig． 3Curve of pulsating resistance coefficient 湍流度继续增加到 11． 0 时， 在雷诺数约为 1． 0 105 时平均阻力系数就已经下降到最低点进入超临界状 态。由此可见， 湍流度的存在使得斜拉索的雷诺数效 应提前， 并且湍流度越大气动参数的雷诺数效应提前 的越明显。 由图 3 可以看出， 湍流度对斜拉索的脉动阻力系 数有着非常明显的影响。当来流为均匀流的时候， 在 雷诺数小于 3． 3 105范围内， 脉动阻力系数变化幅度 较小; 当雷诺数在 3． 3 105与 3． 7 105之间时， 脉动 阻力系数出现波动， 之后又迅速下降到 0． 05 左右。当 湍流度为 2． 4时， 脉动阻力系数在雷诺数小于 2． 4 105时下降幅度较大， 由 0． 23 下降到 0． 08 左右。随着 湍流度的增加， 脉动阻力系数变化幅度也相应增加， 下 降到最低点时对应的雷诺数也相应减小。当湍流度为 4．5时脉动阻力系数在雷诺数为 8． 0 104时就已经 开始下降， 最终下降到 0． 05， 此时的雷诺数约为 1． 8 105。当湍流度继续增加到 11． 0 时， 在雷诺数约为 1． 0 105时脉动阻力系数就已经下降到最低。 图 4 和图 5 分别为不同湍流度下平均升力系数与 脉动升力系数随雷诺数的变化曲线。 图 4平均升力系数曲线 Fig． 4Average lift coefficient curve 由图 4 可知， 湍流度不同， 平均升力系数随雷诺数 变化的趋势基本相似， 均是在 0 附近波动。均匀流时， 平均升力系数在雷诺数约为 3． 5 105时突然上升， 对 应平均阻力系数突然大幅度下降的阶段; 而当来流有 一定的湍流度时， 没有捕捉到平均升力系数突然上升 的现象。 图 5脉动升力系数曲线 Fig． 5Pulsating lift coefficient curve 图 5 可以看出， 湍流度对斜拉索的脉动升力系数 也有着非常明显的影响。当来流为均匀流的时候， 在 雷诺数小于 3． 3 105时， 脉动升力系数变化幅度较小; 当雷诺数在 3． 3 105与 3． 7 105之间时， 脉动升力系 数出现波动， 之后又迅速下降到 0． 05 左右。当湍流度 为 2． 4 时， 脉动升力系数在雷诺数小于 2． 4 105时 下降幅度较大， 由 0． 3 下降到 0． 08 左右。随着湍流度 的增加， 脉动阻力系数变化幅度也相应增加， 下降到最 低点时对应的雷诺数也相应减小。当湍流度为 4． 5 时脉动阻力系数由 0． 45 下降到 0． 05， 此时的雷诺数约 为 1． 8 105。当湍流度增加到 11． 0 时， 在雷诺数约 为 1． 0 105时脉动阻力系数就已经下降到最低。 3平均风压系数试验结果分析 图 6 为均匀来流时本试验平均风压系数与已有的 试验结果在雷诺数为 1． 0 105时的对比结果。通过对 比发现， 本试验模型在测得的压力系数介于顾明［19 ］与 郑云飞 ［20 ］之间， 与 Nishimura［21 ］和 Farell［22 ］接近。 图 6Re 1． 0 105平均风压系数周向分布 Fig． 6Re 1． 0 105Circumferential distribution of average wind pressure coefficient 表 1 为试验条件对比， 分别在模型的直径、 长度、 长细比、 阻塞率及雷诺数几方面分析可能会造成图 6 中差别的原因。由表 1 可以看到， 图 6 中已有的几项 研究， 只有雷诺数与本文相同， 而模型直径、 长度、 长细 89振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 比及阻塞率与本研究均不相同。因此可以总结， 在雷 诺数相同的条件下， 模型直径、 长度、 长细比、 阻塞率等 参数都会对模型的压力系数产生一定的影响， 造成了 平均风压系数有略微的差别， 但是差别并不是很明显。 表 1不同模型参数 Tab． 1Different Model Parameters 对比参数郑云飞Nishimura顾明Farell本文 模型直径/mm12091350 147450 模型长度/mm1 7006003 500 9002 500 长细比146． 6106． 15． 6 阻塞率/ 6． 02． 3 4． 112． 010 雷诺数 10410． 010． 011． 710． 0 10． 0 图 7 显示了不同湍流度下的不同雷诺数时的平均 压力系数的周向分布规律。由图 7 可见， 每个湍流度 下平均风压系数的周向分布规律基本相同， 平均风压 系数呈现出对称分布。随着角度的增加平均风压系数 下降， 直到下降到分离点达到最大平均负风压。分离 点之后平均分压系数开始上升， 在背风面区域平均风 压系数基本保持不变。随着雷诺数的增加， 各个湍流 度下分离点处的最大平均负风压系数向下移动。 对比不同湍流度下的变化曲线发现， 湍流度越大， 平均风压系数越接近; 而湍流度较小时， 平均风压分布 曲线相差越多。由以上对比还可以发现当雷诺数相同 时， 分离点处的平均风压系数向下移动， 而尾流区也会 逐渐变窄。 a均匀流时平均风压系数 bIu 2．4平均风压系数 cIu 4．5平均风压系数 dIu 5． 6平均风压系数 eIu 8．0平均风压系数 fIu 11． 0平均风压系数 图 7平均风压系数周向分布 Fig． 7Circumferential distribution of average wind pressure coefficient 为了更方便观察此现象， 选取了几个较为有代表 性的雷诺数， 对比分析相同雷诺数下平均压力系数周 向分布随湍流度的变化规律， 如图 8 所示， 选取图 8 中 竖线穿过的雷诺数区域作为研究对象， 雷诺数分别为 1． 0 105、 1． 6 105和 2． 7 105， Re 1． 0 105是每个 湍流度工况均含有的最小的雷诺数， Re 1． 6 105时 大部分湍流度工况下的平均阻力系数处于急速下降状 态， Re 2． 7 105时则是平均阻力系数处于平稳的状 态。不同湍流度下平均压力系数周向分布随湍流度的 变化规律， 如图 9 所示。 图 8平均阻力系数曲线 Fig． 8Curve of average resistance coefficient 99第 23 期刘庆宽等湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究 ChaoXing aRe 105平均压力系数 bRe 1． 6 105平均压力系数 cRe 2．7 105平均风压系数 图 9平均风压系数周向分布 Fig． 9Circumferential distribution of average wind pressure coefficient 4脉动风压系数的试验结果分析 图 10 为同一湍流度下不同雷诺数时的脉动压力 系数周向分布情况。 由图 10 可见， 每个湍流度下的脉动风压系数的周 向分布规律基本相同， 整体呈对称分布， 并且随着角度 的增加， 脉动风压系数增加， 在分离点处出现峰值， 之 后随着角度的增加脉动风压系数减小， 在背风面脉动 风压系数变化较小。当雷诺数较小时， 压力系数峰值 处会出现驼峰现象， 但是随着雷诺数的增大， 驼峰现象 减弱。均匀流时背风面压力的上下波动为较为频繁的 驼峰。在雷诺数较低时， 斜拉索尾流区的脉动风压系 数的变化出现尖点现象， 但是当雷诺数增大时， 尾流区 的脉动风压系数逐渐趋向平缓。 对比图10 a～ f 得出， 湍流度较低时， 脉动风压 系数的驼峰现象较为明显， 而随着雷诺数的增加此现 象有所减弱直到消失。随湍流度增加， 脉动风压系数 有增大的趋势。 a均匀流时脉动风压系数 bIu 2．4脉动风压系数 cIu 4．5脉动风压系数 dIu 5． 6脉动风压系数 eIu 8．0脉动风压系数 fIu 11．0脉动风压系数 图 10脉动风压系数周向分布 Fig． 10Circumferential distribution of pulsating wind pressure coefficient 为了更方便对比， 下文选取了三种不同的雷诺数 工况， 图 11 为雷诺数是 1． 0 105、 1． 6 105和 2． 7 105时不同湍流度下的脉动风压系数。由图可以看出， 当湍流度较低时， 脉动风压系数的变化会出现驼峰现 象， 此现象会随着湍流度的增加或者雷诺数的增大而 减弱; 湍流度增加， 不同雷诺数下的脉动风压系数均会 001振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 增加。同时， 湍流度在小于 5． 6时脉动风压系数随湍 流度增加而增加， 但是变化幅度不是很大。当湍流度 在8． 0到11． 0之间时， 脉动风压系数出现大幅度上 升， 可见湍流度越大， 脉动风压越不稳定。 aRe 105脉动风压系数 bRe 1．6 105脉动风压系数 cRe 2．1 105脉动风压系数 图 11脉动风压系数周向分布 Fig． 11Circumferential distribution of pulsating wind pressure coefficient 图 12 为不同雷诺数下的迎风面测点脉动风压系 数随湍流度的变化曲线。 图 12迎风面测点脉动风压系数曲线 Fig． 12The fluctuating wind pressure coefficient curve of the windward surface 由图 12 可以看出， 随着湍流度增加， 每一个雷诺 数下的迎风面测点脉动风压系数增大; 随着雷诺数增 大， 每个湍流度工况下的迎风面测点脉动压力系数 减小。 5结论 本文采用风洞试验测压的方法， 充分考虑实际斜 拉索所处的真实湍流环境， 对不同湍流度下的光滑斜 拉索气动力特性进行了试验研究， 得到以下结论 1湍流度的存在使得斜拉索气动参数的雷诺数 效应提前， 湍流度越大， 雷诺数效应提前的越明显。即 湍流度越大， 斜拉索的平均阻力系数、 脉动阻力系数及 脉动升力系数开始迅速下降及下降到最低点时对应的 雷诺数越小。 2不同湍流度下斜拉索的平均风压系数周向分 布规律基本相同， 但湍流度越大， 不同湍流度的平均风 压系数周向分布曲线越接近。同时， 湍流度对平均风 压系数的影响也受到雷诺数的制约， 雷诺数较小时， 湍 流度对斜拉索平均风压系数的影响较大， 而当雷诺数 增大到一定程度时， 湍流度的影响不再明显。 3随着来流湍流度的增加， 斜拉索的平均风压 系数及脉动风压系数一般会增大。试验发现， 当湍流 度较小时， 斜拉索脉动风压系数在背风面会出现较为 明显的驼峰现象， 而湍流度增大， 此现象逐渐减弱直至 消失。 参 考 文 献 ［1］ 裴岷山，张喜刚，朱斌，等． 斜拉桥的拉索纵桥向风荷载 计算方法研究［ J］ ． 中国工程学， 2009， 11 3 26- 30． PEI Minshan，ZHANG Xigang，ZHU Bin，et al． Study on longitudinal wind load calculation ethod of cables for cable- stayed bridge［J］ ．Engineering Science，2009，11 3 26- 30． ［2］ POULIN S，LARSEN A． Drag loading of circular cylinders inclined in the along- wind irection［J］ ．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2007， 95 9 /10 / 11 1350- 1363． ［3］ 王卫华，李明水，陈忻． 斜拉索的阻力系数研究［J］ ． 空 气动力学学报， 2005， 23 3 389- 393． WANG Weihua，LI Mingshui，CHEN Xin． Investigation on drag coefficients of stay cables［J］ ．Acta Aerodynamica Sinica， 2005， 23 3 389- 393． ［4］ 李文勃，林志兴，杨立波． 超长斜拉索风阻系数及风雨激 振的试验研究［ J］ ． 振动测试与诊断， 2005， 25 2 85- 90 LI Wenbo，LIN Zhixing，YANG Libo． Investigation on drag coefficients and rain- wind induced vibration of extremely long stay cables in wind 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