雷諾數效應

雷諾數效應是指隨著雷諾數變化，靜力三分力係數、表面壓力係數及其分布、Strouhal數等參數也是變化的。雷諾數效應有兩層意思：其一，某些參數是雷諾數的函式，雷諾數是這些參數變化的內因；其二，與模型試驗有關，當模型的縮尺很小時，模型與原型的雷諾數相差很大，試驗數據向原型復原時，無法得到參數的實際變化規律，這是因為試驗設計時沒有滿足雷諾數相似準則而產生的。彼此相似的物理現象中的若干個由基本物理量組成的無量量綱的數值相同，這些數值相同的無量量綱就稱之為相似準則(相似準則是兩個現象相似的特徵和標誌，甚至是決定相似的充要條件，風洞試驗中幾個重要的相似準則有：雷諾數Re，馬赫數Ma，普朗特數Pr，比熱比γ，弗勞德數Fr，斯特羅哈數St等)。實際對雷諾數效應的研究一般都是針對後者。因為橋樑抗風設計和分析依賴於風洞試驗，而幾乎所有常規的風洞試驗都無法滿足雷諾數相等這一準則，因此但凡需要風洞試驗提供三分力係數的抗風設計和抗風分析，都可能受到雷諾效應的影響。

基本介紹

• 中文名：雷諾數效應
• 外文名：Reynolds number effect
• 雷諾數：Re
• 套用於：風洞試驗提供三分力係數抗風分析
• 意義：參數變化內因、模型試驗分析
• 研究現狀：仍在探索完善中

國外研究進程

橋樑斷面雷諾數效應是一複雜的課題，學術界一直片面地認為有尖銳邊角的結構斷面雷諾數影響可以忽略不計，除非試驗雷諾數和實際雷諾數相差特別大（如3個數量級），因此橋樑斷面的雷諾數效應一直沒有引起較多學者的關注。國內外進行橋樑斷面雷諾數效應研究的學者很少，文獻也屈指可數。

上世紀80年代初，Schewe在壓力風洞中研究了圓柱及橋樑斷面的雷諾數效應，發現雷諾數效應在這些斷面中不同程度的存在著，認為雷諾數對Strouhal數有一定影響。

Schewe研究了機翼、圓柱和橋樑斷面（大海帶東橋引橋斷面）尾跡區形狀隨雷諾數變化規律，認為雷諾數對三分力的影響體現在其對尾流形狀的影響，Schewe的研究側重於證實鈍體斷面中存在雷諾數效應。

Barre等人在測量Normandi橋不同縮尺模型（縮尺比分別為1：10、1：50、1：200）三分力時發現，它們的三分力係數曲線不重合，而升力係數―角度曲線相差較大，最後歸結為雷諾數效應。

Larsen與Schewe在壓力風洞中還證實：導致大海帶東橋引橋實測渦振頻率、渦振起振風速、渦振振幅與低速風洞試驗結果不一致的原因是該橋斷面的雷諾數效應。在雷諾數Re=3×104-4×106範圍內，他們研究了大海帶東橋引橋斷面的三分力係數、Strouhal數隨雷諾數變化。但因未對其他橋樑斷面進行研究，其結論不具有普遍性。

香港昂船洲（Stonecutters）橋風洞試驗時發現1：20和1：80模型的渦振振幅相差很大，也被認為是由雷諾數效應引起的。Kubo測量了風嘴相同但寬高比不同的矩形斷面Strouhal數隨雷諾數變化，還實測了IKARA橋表面壓力，並與風洞試驗相比較。Kubo的研究發現H型斷面及IKARA橋斷面的Strouhal數對雷諾數Re依賴性是明顯的。

2006年，G.L.Larose進一步總結了包括大帶東橋、Ikara橋和IHI橋高低雷諾數試驗對比研究的結果，認為丹麥大帶東橋西引橋、昂船洲橋和Ikara橋斷面對雷諾數敏感，但大帶東橋主橋和IHI橋斷面對雷諾數不敏感。在雷諾數範圍為1.1×103~1.6×106，Matusda測量了中央開槽閉合箱梁斷面的靜力三分力和非定常氣動力，研究中央開槽率對截面氣動特性影響，認為橋樑斷面中可能存在靜氣動力係數及非定常氣動力係數雷諾數效應。

國內進展成就

國內進行雷諾數效應研究的學者非常少，而研究橋樑斷面雷諾數效應的就更少。

徐有恆教授用測壓法研究了組合橢圓斷面的雷諾數效應，認為紊流度較大（如15%）時，雷諾數效應就會自準。

孫天風、顧志福等人在亞臨界雷諾數區研究紊流度對圓柱表面壓力分布影響，並研究了高雷諾數區二維雙圓柱動態壓力。

李加武攻讀博士學位期間在項海帆、林志興指導下，在國內較早開始了雷諾數效應研究，研究了兩類典型橋樑斷面的雷諾數效應，最高雷諾數達到105。研究發現在試驗的雷諾數範圍內Π形斷面的阻力係數隨雷諾數增加而略微增加，寬高比對兩類斷面的三分力係數雷諾數效應沒有質的影響。還研究了紊流度，表面粗糙度對三分力係數雷諾數效應影響。

金挺、林志興在研究蘇通橋三分力係數雷諾數效應時發現，帶有欄桿的橋樑閉合箱梁斷面雷諾數高達106以後，阻力係數對雷諾數不敏感。

張偉研究了高低雷諾數下的分離雙箱渦振性能，發現按照低雷諾數試驗結果來換算實橋渦振振幅值將大於採用高雷諾數試驗結果換算得到的實橋振幅值，並且研究發現導流板的抑振作用也具有雷諾數效應。

周志勇利用數值分析方法分析了大海帶東橋引橋和蘇通大橋的主梁斷面的三分力係數及Strouhal數，結果表明雷諾數對這兩種斷面的三分力係數及St數的影響不可忽略。除此之外，國內暫時沒有見到其它學者進行橋樑斷面雷諾數效應研究的報導。

研究現狀

儘管國內外學者針對橋樑斷面雷諾數效應開展了大量研究，但因橋樑斷面雷諾數效應問題很複雜，上述學者對雷諾數效應研究主要集中於澄清橋樑斷面中是否存在雷諾數效應。他們的研究方法單一，研究系統性差；研究的結果僅限於定性的結論，難以指導工程實踐，更為重要的是這些研究尚未觸及雷諾數效應發生的機理。並且，目前對橋樑斷面雷諾數效應的研究僅僅停留在風洞實驗室中，均採用均勻流或低紊流，與實際橋樑的工作環境有相當大的差異。由於受到實驗室條件的限制，目前所涉及的高雷諾數試驗與實際橋樑的雷諾數仍有一定差距，未能將雷諾數推到實橋雷諾數上去，這樣就使許多現象及機理未能完全揭示。