《大跨度橋樑斜拉索風致振動邊界層仿生控制研究》是依託哈爾濱工業大學，由陳文禮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：大跨度橋樑斜拉索風致振動邊界層仿生控制研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳文禮
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目研究大跨度橋樑斜拉索渦激振動與風雨激振繞流場邊界層行波壁仿生控制。首先採用智慧型材料/MEMS技術，集成斜拉索-行波壁仿生控制系統，建立該系統行波壁仿生控制的力電模型；通過模型風洞實驗，實現斜拉索渦激振動與風雨激振行波壁仿生控制，分析行波壁關鍵控制參數對控制效果的影響規律；建立格線自適應與格線局部重構相結合的混合動格線技術，實現行波壁控制系統-斜拉索（節段模型與柔性索模型）渦激振動與風雨激振CFD數值模擬，分析斜拉索繞流場及振動控制效果的變化規律；從斜拉索振動特性、氣動力特性、邊界層流態、繞流場分形特徵及斜拉索振動與流場之間能量交換的轉變規律等五個性能指標，揭示行波壁對斜拉索風致振動繞流場邊界層流動的控制機理，分析斜拉索振動特性、氣動力特性、邊界層流態、繞流場分形特徵及斜拉索振動與流場之間能量交換臨界轉變點及對應的控制參數。本項研究將為大跨度橋樑斜拉索風致振動控制提供嶄新的方法和系統。
結題摘要
隨著現代橋樑跨度的不斷增大，斜拉索變得越來越柔，其阻尼也不斷降低，極易發生風致振動。本項目開展基於仿生的行波壁主動流動控制方法的研究，對拉索風致振動進行控制，並研究該方法的控制機理。具體研究成果如下： 第一，本項目通過採用智慧型材料/MEMS技術來集成行波壁仿生控制系統，選取了兩種智慧型材料驅動器：一種是壓電陶瓷驅動器，一種是離子聚合物金屬複合材料IPMC驅動器；並且對壓電陶瓷驅動器集成的行波壁仿生系統進行了流動控制的風洞試驗，研究了該系統的流動控制效果。同時對製備好的IPMC驅動器的驅動位移進行了測試，結果表明IPMC驅動器較壓電陶瓷驅動器的驅動位移大10倍左右，並且所需電壓幅值比壓電陶瓷驅動器低很多。同樣還利用多個IPMC驅動器集成了行波壁仿生控制系統。 第二，採用CFD數值模擬方法完成了圓柱繞流-渦激振動-行波壁流動控制全過程的數值模擬，重點研究了行波壁流動控制方法對低雷諾數下兩自由度彈性支撐單圓柱渦激振動的抑制作用。詳細分析了各階段的圓柱橫向和流向位移、質心運動軌跡、升力和阻力係數等隨頻率比的變化。結果表明：行波壁圓柱的波谷處可以產生一系列穩定的隨行波壁運動的小尺度旋渦，有效抑制圓柱表面分離渦的產生，達到消除圓柱繞流尾跡和抑制渦激振動的目的；在計算初始和中途啟動的行波壁均顯著地抑制了圓柱的橫向和流向振動；行波壁流動控制方法顯著降低了圓柱升力係數脈動值和阻力係數均值，但阻力係數的脈動值則顯著增大。 第三，採用行波壁對圓柱繞流場的旋渦脫落抑制進行了風洞試驗研究，通過風洞試驗驗證該方法的可行性以及控制機理。行波的波幅為2.03mm，每個行波壁的波數為4。來流風速分別為3.0，6.0和9.1m/s，對應的行波壁速度比分別為as [0-0.506]，[0-0.253]和[0-0.167]。結果表明，速度比必須超過臨界值，行波壁才能表現較好的控制效果，當行波壁控制時，整個尾流被抑制，旋渦脫落強度減弱，從而使得尾流變窄，阻力減小。尾流頻率分析表明，當行波壁控制時，在尾流頻率中不僅有旋渦脫落的頻率，亦有行波干擾的頻率。最後提出兩種行波壁的兩種控制機理：“強迫擾動”和“共振擾動”機理。“強迫擾動”機理是當速度比超過一定臨界值之後，行波壁表現較好的控制效果；而“共振擾動”機理是本項目新發現和提出的一種控制機理，是指行波頻率和渦脫頻率接近時，行波壁體現出較好的控制效果。
