杜曉慶， 李俊軍， 顧　明， 何　平

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

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帶上水線拉索繞流場的大渦模擬研究

杜曉慶1， 李俊軍1， 顧明2， 何平1

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

針對(duì)帶上水線的拉索模型，采用大渦模擬方法研究了水線和拉索的氣動(dòng)性能與繞流場流態(tài)之間的內(nèi)在關(guān)系.結(jié)果表明，帶水線拉索的繞流場呈現(xiàn)三種不同的流態(tài)結(jié)構(gòu).當(dāng)上水線位于0°～50°時(shí)，水線對(duì)拉索繞流場的影響不大；當(dāng)上水線位于50°～70°時(shí)，拉索上表面剪切層在上水線上分離后會(huì)再附著在拉索表面形成分離泡，并使拉索上表面受到很大的局部負(fù)壓作用；當(dāng)水線處在70°～90°時(shí)，凸起的上水線會(huì)導(dǎo)致上側(cè)剪切層分離后遠(yuǎn)離拉索上表面.分離泡在拉索上表面周期性地出現(xiàn)和消失是斜拉索風(fēng)雨激振的主要原因.

拉索； 風(fēng)雨激振； 大渦模擬； 上水線； 分離泡

自1989年日本的Hikami和Shiraishi[1]首先報(bào)道了斜拉橋拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象以來，世界各地的許多斜拉橋拉索在風(fēng)雨共同作用下發(fā)生過這種大幅振動(dòng)[2-4].斜拉索的大幅振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重危害拉索和斜拉橋的安全性.

各國研究人員通過現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析對(duì)拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象進(jìn)行較為廣泛的研究，已獲得了很多研究成果.但由于拉索風(fēng)雨激振涉及空氣、液體和固體等三種介質(zhì)的耦合作用，并且受拉索表面條件、拉索傾角、風(fēng)速、風(fēng)向和雨量等多種因素的影響，因而對(duì)風(fēng)雨激振的發(fā)生機(jī)理尚有不同觀點(diǎn).大部分研究者[1,5-8]認(rèn)為，上水線在拉索上表面的出現(xiàn)及其沿拉索表面的振蕩運(yùn)動(dòng)是拉索發(fā)生這種氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象的主要原因，可采用基于準(zhǔn)定常假定的理論模型來解釋風(fēng)雨激振現(xiàn)象.但也有學(xué)者[2]認(rèn)為，軸向流是斜拉索發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn)的原因，認(rèn)為準(zhǔn)定常假定不適用風(fēng)雨激振現(xiàn)象.作者對(duì)偏/斜光圓柱和帶水線偏/斜圓柱進(jìn)行的研究表明：軸向流會(huì)對(duì)拉索的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響，但一旦上水線在拉索上表面形成之后，上水線對(duì)拉索的氣動(dòng)性能將起決定性的作用[9].

目前對(duì)上水線的受力情況和形成過程研究較少，上水線對(duì)拉索繞流場流態(tài)的作用機(jī)理尚不清楚.Du和Gu等[9]采用風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了上水線處在不同位置時(shí)上水線的表面風(fēng)壓和氣動(dòng)力作用規(guī)律.Lemaitre[10]基于滑移理論模型，研究了在風(fēng)荷載作用下拉索表面水膜形態(tài)的變化.許林汕等[11]在Lemaitre模型的基礎(chǔ)上，研究了考慮拉索運(yùn)動(dòng)影響的水膜形態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.Bi等[12]采用氣液兩相流理論和流體體積法研究了水線的形成過程.杜曉慶等[13]采用大渦模擬(LES)方法研究了作用在上水線上的風(fēng)致摩擦力特性，并分析了水線的表面風(fēng)壓和摩擦力在上水線形成過程中的作用.

為了進(jìn)一步澄清水線和拉索氣動(dòng)性能與繞流場流態(tài)之間的內(nèi)在關(guān)系，本文采用大渦模擬方法，以帶上水線拉索模型的氣動(dòng)性能和繞流場特性為研究對(duì)象，在亞臨界區(qū)(雷諾數(shù)為1.4×105)，研究了帶水線拉索的氣動(dòng)力、表面風(fēng)壓分布和繞流場特性隨水線位置的演變過程，研究了流態(tài)結(jié)構(gòu)與水線和拉索氣動(dòng)力之間的內(nèi)在聯(lián)系，從帶水線拉索繞流場的流態(tài)變化角度對(duì)拉索風(fēng)雨激振的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了探討.

1　數(shù)值方法和計(jì)算模型

1.1控制方程和亞格子模型

大渦模擬(LES)方法中，大尺度渦通過濾波后的Navier-Stokes方程直接求解，小尺度的渦則采用亞格子尺度模型(SGS)模擬.與雷諾平均法(RANS)相比，大渦模擬方法可更好地模擬流場中的湍流漩渦，能捕捉到豐富的流場脈動(dòng)信息.因此，為了準(zhǔn)確地模擬帶水線拉索周圍的流場特性，本文采用大渦模擬方法進(jìn)行研究.

經(jīng)過濾波函數(shù)的濾波，可得到大尺度渦的不可壓縮Navier-Stokes方程

(1)

(2)

亞格子應(yīng)力τij采用Smagorinsky-Lilly的亞格子尺度模型，具有以下形式：

(3)

(4)

式中νt是亞格子尺度的湍動(dòng)黏度，且

(5)

(6)

(7)

式中：Δi代表沿坐標(biāo)軸i方向的網(wǎng)格尺寸；CS是Smagorinsky常數(shù)，本文取0.1.

1.2計(jì)算模型

考慮到上水線的出現(xiàn)是拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的關(guān)鍵因素，本文的計(jì)算模型只考慮上水線的作用，假定水線的形狀和尺寸不隨水線的位置發(fā)生改變.現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)斜拉橋拉索發(fā)生大幅振動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)為0.5×105～2×105，因而本文的計(jì)算雷諾數(shù)取1.4×105(雷諾數(shù)根據(jù)拉索直徑D和來流風(fēng)速U0計(jì)算得到).另外，在本文的計(jì)算模型中，來流垂直作用于帶水線拉索模型，即不考慮風(fēng)向角的影響.

圖1為帶上水線拉索的計(jì)算模型示意圖.圖中，θu為上水線的位置角，θcyl為拉索表面各點(diǎn)的位置角，CD為拉索的平均阻力系數(shù)，CL為拉索的平均升力系數(shù).上水線模型的外形和尺寸與文獻(xiàn)[9]的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟€表面為圓弧曲面，圓弧的直徑d=0.13D，水線寬度為0.1D，高度為0.024D.

圖1　帶上水線拉索的計(jì)算模型

為了掌握上水線位置對(duì)拉索和水線氣動(dòng)性能的影響，根據(jù)上水線角度位置的不同，共計(jì)算了18個(gè)工況.其中：上水線位置角θu在0°～50°和80°～110° 之間每隔10°一個(gè)工況，50°～70°之間每隔5°一個(gè)工況，56°～64°之間每隔2°一個(gè)工況.

計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算域的長、寬、高分別為28D，16D和D.其中，拉索中心距入口邊界為8D，距離出口邊界為20D，距上下側(cè)面邊界為8D，拉索展向長度為D.采用速度入口邊界條件，出口邊界采用自由流出邊界，計(jì)算域上下側(cè)面為對(duì)稱性邊界，拉索展向兩端采用周期性邊界條件，水線和拉索表面采用無滑移壁面邊界條件.

本文的網(wǎng)格方案和計(jì)算參數(shù)基于文獻(xiàn)[16]的研究成果，近壁面最小網(wǎng)格為4×10-4D,量綱一時(shí)間步Δt*為 0.001(Δt*=ΔtU0/D，其中Δt為實(shí)際計(jì)算時(shí)間步),近壁面網(wǎng)格增長率為1.05.另外，為了驗(yàn)證圓柱展向長度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)三種不同的圓柱展向長度進(jìn)行了比較(D，2D和4D).圖3為這三種不同展向長度的圓柱表面平均風(fēng)壓系數(shù)Cp分布圖，圖中還給出了Cantwell和Coles[17]通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的平均風(fēng)壓系數(shù).從圖3可見，三種計(jì)算值與風(fēng)洞試驗(yàn)值之間的差異主要發(fā)生在θcyl=240°～360°，即圓柱的背風(fēng)側(cè).并且隨著圓柱展向長度的減小，計(jì)算值與風(fēng)洞試驗(yàn)值之間的偏差有增大的趨勢.這主要是因?yàn)閳A柱展向長度的減小會(huì)增強(qiáng)繞流場沿圓柱展向的相關(guān)性，不能很好地反映三維圓柱繞流的三維流場特性，從而會(huì)造成圓柱背風(fēng)面的負(fù)壓偏大.考慮到大渦模擬的計(jì)算量大，而本文的計(jì)算工況又多，為了降低計(jì)算量，本文的帶水線圓柱模型的展向長度取D，與文獻(xiàn)[18]的計(jì)算模型相似.

a 計(jì)算域

b 近壁面網(wǎng)格

圖3　光圓柱表面風(fēng)壓系數(shù)比較

1.3氣動(dòng)參數(shù)定義

拉索和水線表面的風(fēng)壓系數(shù)定義為

(8)

式中：p-po為當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓和遠(yuǎn)前方上游壓力之差.

對(duì)拉索表面的風(fēng)壓沿拉索周向進(jìn)行積分，可得到作用在拉索上的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力，對(duì)氣動(dòng)力按照式(9)和式(10)量綱一化后可得到拉索的平均阻力系數(shù)CD和平均升力系數(shù)CL(其方向定義見圖1)

(9)

(10)

式中：FD和FL分別為作用在單位長拉索上的氣動(dòng)平均阻力和氣動(dòng)平均升力.

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1拉索的氣動(dòng)力系數(shù)

圖4為作用在帶上水線拉索上的平均阻力系數(shù)CL和平均升力系數(shù)CD隨上水線位置角θu變化的曲線.圖中還列出了文獻(xiàn)[7，9]中的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果.

從圖4可見，本文采用大渦模擬計(jì)算得到的氣動(dòng)力系數(shù)曲線的變化趨勢與文獻(xiàn)[7，9]中的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相似.隨著水線位置角的逐步增大，拉索的平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù)均經(jīng)歷了起伏和突變過程.與平均阻力系數(shù)相比，平均升力系數(shù)的變化則更為劇烈，經(jīng)歷了平穩(wěn)段、上升段和下降段三個(gè)階段.當(dāng)水線位于θu=0°～50°時(shí)，拉索的平均升力系數(shù)接近于0，與不帶水線的光滑拉索的平均升力系數(shù)相同；當(dāng)水線位于θu=50°～70°時(shí)，平均升力系數(shù)則經(jīng)歷了先迅速上升，然后突然下降的過程，最大平均升力系數(shù)達(dá)到0.55左右；而當(dāng)水線位于θu=70°～90°時(shí)，拉索則受到方向相反的非零平均升力的作用，最小升力系數(shù)為-0.15.通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的文獻(xiàn)[7，9]的平均升力系數(shù)同樣經(jīng)歷了類似的變化過程，只是發(fā)生突變的水線位置范圍以及氣動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值與本文大渦模擬計(jì)算結(jié)果有所差異.

需要指出的是，與風(fēng)洞試驗(yàn)值相比，本文采用大渦模擬得到的拉索平均升力系數(shù)與試驗(yàn)值吻合較好，但平均阻力系數(shù)的計(jì)算值較試驗(yàn)值偏大.這可能與計(jì)算模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ退捎玫耐牧鞫取⒈砻娲植诙?、雷諾數(shù)等的差異有關(guān).Zdravkovich[14]指出圓柱的氣動(dòng)性能對(duì)來流湍流度、雷諾數(shù)和表面粗糙度等條件非常敏感.即便文獻(xiàn)[7，9]均為風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，兩者的氣動(dòng)力系數(shù)也有相當(dāng)大的差異.另一方面，如1.2節(jié)所述，本文計(jì)算模型采用較小的展向長度會(huì)造成圓柱背風(fēng)面負(fù)壓的增大，從而會(huì)導(dǎo)致計(jì)算得到的平均阻力系數(shù)偏大.

a 平均阻力系數(shù)

b 平均升力系數(shù)

2.2拉索的風(fēng)壓系數(shù)

由上文可知，上水線處在不同位置時(shí)，拉索的平均升力系數(shù)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)不同階段，圖5～7給出了上水線位于θu=40°，58°和80°時(shí)帶水線拉索表面的平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖.這三個(gè)典型的水線位置分別處在升力系數(shù)的三個(gè)不同階段中.

圖5　θu=40°時(shí)拉索表面風(fēng)壓系數(shù)

Fig.5Wind pressures of cable with rivulet atθu=40°

圖6　θu=58°時(shí)拉索表面風(fēng)壓系數(shù)

Fig.6Wind pressures of cable with rivulet atθu=58°

圖7　θu=80°時(shí)拉索表面風(fēng)壓系數(shù)

Fig.7Wind pressures of cable with rivulet atθu=80°

上水線位于θu=40°時(shí)(見圖5)，拉索上側(cè)表面(θcyl=0°～180°)的風(fēng)壓系數(shù)與下側(cè)表面(θcyl=180°～360°)相比，主要的差別發(fā)生在上水線位置附近(θu=40°附近)，其他位置的平均風(fēng)壓系數(shù)在拉索的上下表面基本對(duì)稱.脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在θcyl=80°和280°附近有兩個(gè)峰值，這兩個(gè)峰值處在拉索上下表面的分離點(diǎn)附近，與表面不帶上水線的光滑拉索的情況相近[15].這說明水線處在這個(gè)位置時(shí)，上水線不影響拉索上側(cè)剪切層的分離點(diǎn)位置，因而對(duì)拉索氣動(dòng)性能的影響不大.

上水線位于θu=58°時(shí)(見圖6)，拉索上下表面的平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的形態(tài)均差別很大.對(duì)于平均風(fēng)壓系數(shù)，在上水線附近拉索受到很大負(fù)壓的作用，拉索上表面負(fù)壓最大處的風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-3.5，遠(yuǎn)大于拉索下側(cè)受到的負(fù)壓；在拉索的背風(fēng)面，拉索上側(cè)背風(fēng)面(即θcyl=90°～180°)受到的負(fù)壓也要遠(yuǎn)大于拉索下側(cè)背風(fēng)面(即θcyl=180°～270°)；這種拉索上下表面平均風(fēng)壓系數(shù)的不對(duì)稱性導(dǎo)致了帶上水線拉索會(huì)受到很大的平均升力作用.對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，拉索上側(cè)表面在θcyl=58°和135°附近分別有兩個(gè)峰值，前一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于上水線位置，也是拉索上側(cè)剪切層的分離點(diǎn)；而后一個(gè)峰值則對(duì)應(yīng)于上側(cè)剪切層在拉索表面再附后再次分離的分離點(diǎn)，詳細(xì)的流場分析見2.3節(jié)；拉索下表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)則在θcyl=280°附近有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)于拉索下側(cè)的分離點(diǎn).

上水線位于θu=80°時(shí)(見圖7)，對(duì)于平均風(fēng)壓系數(shù)，拉索上下表面風(fēng)壓分布的差別主要體現(xiàn)在水線位置附近，拉索表面風(fēng)壓在其他位置上基本是上下表面對(duì)稱.對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，拉索上表面的峰值處在水線位置，即拉索上側(cè)的剪切層在上水線上發(fā)生分離；需要說明的是，在上水線處在θu=70°～90°時(shí)，上表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的峰值均在水線位置，這說明凸起的上水線會(huì)控制拉索上側(cè)剪切層的分離點(diǎn)，而拉索下表面的峰值均在θcyl=280°附近.

2.3作用機(jī)理分析

為了進(jìn)一步分析帶水線拉索氣動(dòng)性能處在三個(gè)不同階段的流場作用機(jī)理，圖8～10給出了水線位置角θu為40°，58°和80°時(shí)繞流場的瞬態(tài)流線圖、渦量圖、風(fēng)壓場以及拉索表面的瞬態(tài)風(fēng)壓系數(shù)圖.圖中，T1和T2分別是升力系數(shù)時(shí)程曲線上升力系數(shù)達(dá)到最小值和最大值的時(shí)刻，即對(duì)應(yīng)于升力系數(shù)時(shí)程曲線的波谷和波峰時(shí)刻.

當(dāng)水線位于θu=40°時(shí)，對(duì)于T1時(shí)刻(見圖8a)，從渦量圖上看，拉索下側(cè)的剪切流在分離后、近尾流區(qū)形成了強(qiáng)度很大的漩渦，從而導(dǎo)致拉索下側(cè)繞流場處在負(fù)壓區(qū)內(nèi)，拉索下側(cè)表面(θcyl=180°～360°)則承受很大的負(fù)壓，最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到-3.0；而在拉索的上側(cè)，由于剪切流剛從拉索表面分離，還未能充分發(fā)展形成強(qiáng)度很大的漩渦，因而拉索上側(cè)表面(θcyl=0°～180°)的最大負(fù)壓系數(shù)較小，僅為-1.0左右.對(duì)于T2時(shí)刻(見圖8b)，則拉索上下側(cè)的流場與T1時(shí)刻相反，拉索下側(cè)表面的最大負(fù)壓系數(shù)約為-1.0，而拉索上側(cè)表面最大負(fù)壓系數(shù)為-2.8左右.從T1和T2時(shí)刻拉索繞流場的瞬態(tài)流場信息和拉索表面的風(fēng)壓系數(shù)可見：在升力系數(shù)時(shí)程曲線的波峰和波谷時(shí)刻，帶水線周圍流場和拉索上下側(cè)表面的風(fēng)壓系數(shù)基本處在一種反對(duì)稱的狀態(tài)，即上水線的存在并未對(duì)拉索的繞流場和氣動(dòng)性能造成很大影響，因而得到的帶水線拉索的平均升力系數(shù)約為0.

a T1時(shí)刻

b T2時(shí)刻

Fig.8Instantaneous streamline, vorticity, pressure field around and pressure distribution of cable with rivulet atθu=40°

a T1時(shí)刻

b T2時(shí)刻

Fig.9Instantaneous streamline, vorticity, pressure field around and pressure distribution of cable with rivulet atθu=58°

當(dāng)水線位于θu=58°時(shí)，對(duì)應(yīng)于T1時(shí)刻(見圖9a)，從渦量圖上看，拉索下側(cè)的剪切流在分離后、近尾流區(qū)形成漩渦，但漩渦中心離圓柱表面的距離比θu=40°(圖8a)時(shí)遠(yuǎn)，因而拉索下側(cè)表面所受到的負(fù)壓數(shù)值也較θu=40°時(shí)小；而對(duì)于拉索的上側(cè)表面，從瞬態(tài)流線圖和渦量圖可以發(fā)現(xiàn)：由于受到上水線的干擾，上側(cè)剪切層從拉索上表面的水線上分離后會(huì)再附到拉索表面，即形成 “分離泡”現(xiàn)象，使分離泡附近的拉索上表面承受很強(qiáng)的負(fù)壓作用，最大的負(fù)壓系數(shù)接近于-4.0.對(duì)于T2時(shí)刻(見圖9b)，拉索上表面同樣發(fā)生了剪切流的分離再附現(xiàn)象，拉索上側(cè)的繞流場呈現(xiàn)大面積的負(fù)壓區(qū)；受到分離泡和尾流漩渦的共同影響，拉索上表面也出現(xiàn)數(shù)值很大的負(fù)壓作用，最大負(fù)壓系數(shù)已超過了-4.0.從上述分析可見，與上水線處在40°時(shí)相比，處在58°的上水線對(duì)拉索的繞流場和氣動(dòng)性能造成了很大影響，并且使得在一個(gè)渦脫周期內(nèi)，拉索的上表面均受到數(shù)值很大的負(fù)壓作用，從而導(dǎo)致帶上水線拉索會(huì)承受較大的平均升力的作用，并且平均升力的方向指向拉索上側(cè).

當(dāng)水線位于θu=80°時(shí)，由圖10的流線圖和渦量圖可見，T1和T2時(shí)刻拉索上表面均未發(fā)生分離剪切層的再附現(xiàn)象；T1和T2時(shí)刻拉索周圍的風(fēng)壓場和拉索的表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖總體呈現(xiàn)反對(duì)稱的形態(tài)，但T1時(shí)刻拉索下表面的負(fù)壓系數(shù)比T2時(shí)刻拉索上表面的負(fù)壓系數(shù)更大，從而導(dǎo)致帶水線拉索受到平均升力系數(shù)的作用，但平均升力系數(shù)的方向指向拉索的下側(cè)，其方向與θu=58°時(shí)的升力方向相反.從瞬態(tài)渦量圖上看，這一反方向的平均升力的出現(xiàn)很可能是因?yàn)樯纤€對(duì)拉索上側(cè)剪切層的影響造成的.水線在80°時(shí)，凸起的上水線會(huì)導(dǎo)致拉索上側(cè)的剪切層在分離后遠(yuǎn)離拉索表面，因而剪切層對(duì)拉索上表面的影響相應(yīng)減弱，拉索上側(cè)表面受到的負(fù)壓相對(duì)較小，導(dǎo)致拉索受到非零平均升力作用.

a T1時(shí)刻

b T2時(shí)刻

Fig.10Instantaneous streamline, vorticity, pressure field around and pressure distribution of cable with rivulet atθu=80°

從上文分析可知，當(dāng)水線處在θu=50°～70°時(shí)，帶水線拉索的繞流場發(fā)生了劇烈的變化，上水線對(duì)拉索的氣動(dòng)性能也會(huì)造成嚴(yán)重的影響.對(duì)于實(shí)際的斜拉橋拉索，如果在風(fēng)雨共同作用下拉索上表面出現(xiàn)水線后，在漩渦脫落的渦激力和拉索振動(dòng)的牽連慣性力作用下，上水線會(huì)在拉索上表面作振蕩運(yùn)動(dòng)，如果水線振蕩時(shí)其位置進(jìn)出在θu=50°～70°這一區(qū)域，則在拉索的上表面會(huì)周期性地出現(xiàn)分離泡現(xiàn)象，拉索上表面分離泡影響區(qū)周期性地受到很大的負(fù)壓作用，從而引發(fā)拉索發(fā)生振動(dòng).拉索的振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步增大上水線在拉索表面的振蕩幅度，增強(qiáng)水線振蕩的規(guī)律性，進(jìn)而引發(fā)大振幅的風(fēng)雨激振的發(fā)生.

3　結(jié)論

采用大渦模擬方法，以帶上水線拉索模型的氣動(dòng)性能和繞流場特性為研究對(duì)象，在亞臨界區(qū)(雷諾數(shù)為1.4×105)，研究了帶水線拉索模型的表面風(fēng)壓系數(shù)、氣動(dòng)力系數(shù)和周圍繞流場特性，研究了流場流態(tài)與帶水線拉索氣動(dòng)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，從帶水線拉索繞流場的流態(tài)變化角度對(duì)拉索風(fēng)雨激振的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了探討.主要結(jié)論如下：

(1) 上水線處在θu=0°～50°時(shí)，上水線不影響拉索上側(cè)剪切層的分離點(diǎn)位置，拉索的氣動(dòng)性能和繞流場特性基本不受上水線的影響.

(2) 上水線處在θu=50°～70°時(shí)，受到上水線的干擾，拉索上側(cè)剪切層從上水線上分離后會(huì)再附到拉索表面，形成分離泡的現(xiàn)象.在分離泡影響范圍內(nèi)的拉索表面受到很大的負(fù)壓作用，并導(dǎo)致拉索受到顯著的非零平均升力系數(shù)的作用，平均升力的方向指向拉索上側(cè).

(3) 上水線處在θu=70°～90°時(shí)，拉索上側(cè)剪切層在上水線上發(fā)生分離，上水線的位置決定拉索上側(cè)剪切層的分離點(diǎn)位置.凸起的上水線會(huì)導(dǎo)致拉索上側(cè)的剪切層在分離后遠(yuǎn)離拉索表面，因而分離剪切層對(duì)拉索氣動(dòng)性能的影響也較弱，拉索上側(cè)表面受到的負(fù)壓相對(duì)較小，帶水線拉索受到較小的非零平均升力的作用，但平均升力的方向指向拉索下側(cè).

(4) 在漩渦脫落的渦激力和拉索振動(dòng)的牽連慣性力作用下，上水線會(huì)在拉索上表面作振蕩運(yùn)動(dòng)，如果水線振蕩時(shí)其位置進(jìn)出在θu=50°～70°這一區(qū)域，則在拉索的上表面會(huì)周期性地出現(xiàn)分離泡現(xiàn)象，拉索上表面分離泡影響區(qū)周期性地受到很大的負(fù)壓作用，從而引發(fā)拉索發(fā)生振動(dòng).拉索的振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步增大上水線在拉索表面的振蕩幅度，增強(qiáng)水線振蕩的規(guī)律性，進(jìn)而引發(fā)大振幅的風(fēng)雨激振的發(fā)生.

[1]Hikami Y, Shiraishi N. Rain-wind induced vibrations of cables in cable stayed bridges [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1988, 29(1): 409.

[2]Matsumoto M, Shiraishi N. Rain-wind induced vibrations of cables of cable-stayed bridge [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, 43(1): 2011.

[3]顧明，劉慈軍，羅國強(qiáng)，等. 斜拉橋拉索的風(fēng)(雨)激振及控制 [J]. 上海力學(xué)，1998, 19(4): 283.

GU Ming, LIU Cijun, LUO Guoqiang,etal. Rain-wind induced vibration of cables on cable-stayed bridges and its control [J]. Shanghai Journal of Mechanics, 1998, 19(4): 283.

[4]Ni Y Q, Wang X Y, Chen Z Q. Field observations of rain-wind-induced cable vibration in cable-stayed Dongting Lake Bridge [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2007, 95(5): 303.

[5]Yamaguchi H. Analytical study on growth mechanism of rain vibration of cable [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990, 33(1): 73.

[6]Gu M, Du X Q. Experimental investigation of rain-wind-induced vibration of cables in cable-stayed bridges and its mitigation [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2005, 93(1): 79.

[7]Matsumoto M, Yagi T, Saka S,etal. Steady wind force coefficients of inclined stay cables with water rivulet and their application to aerodynamics [J]. Wind and Structures, 2005, 8(2): 107.

[8]李永樂，徐幼麟，沈其民，等. 斜拉橋拉索風(fēng)-雨致振動(dòng)(I): 機(jī)理分析 [J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，46(4): 529.

LI Yongle, XU Youlin, SHEN Qimin,etal. Rain-wind-induced vibration of cables in cable-stayed bridge (I): Mechanism analysis [J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2011, 46(4):529.

[9]DU Xiaoqing, GU Ming, CHEN Suren. Aerodynamic characteristics of an inclined and yawed circular cylinder with artificial rivulet [J]. Journal of Fluids and Structures, 2013, 43: 64.

[10]Lemaitre C. Thin water film around a cable subject to wind [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2007, 95(9): 1259.

[11]許林汕，趙林，葛耀君. 發(fā)生風(fēng)雨激振拉索表面水膜形態(tài)數(shù)值分析和實(shí)測初探 [J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 29(1):91.

XU Linshan, ZHAO Lin, GE Yaojun. Numerical analysis and real-time measurement of water-film on rain-wind induced vibration cable [J]. Acta Aerodynamic Sinica, 2011, 29(1):91.

[12]Bi J H, Lu P, Wang J,etal. Numerical simulation and analysis of the effects of water-film morphological changes on the aerodynamic lift of stay cables [J]. Journal of Fluids and Structures, 2014, 48: 376.

[13]杜曉慶, 何平, 顧明. 斜拉索上水線氣動(dòng)性能的大渦模擬研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2014, 47(10): 12.

DU Xiaoqing, HE Ping, GU Ming. Investigation on aerodynamic characteristics of upper rivulet on stay cable using large eddy simulation [J]. China Civil Engineering Journal， 2014, 47(10): 12.

[14]Zdravkovich M M. Flow around circular cylinders [M]. Oxford : Oxford Science Publications, 1997.

[15]Nishimura H, Taniike Y. Aerodynamic characteristics of fluctuating forces on a circular cylinder [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(7): 713.

[16]Breuer M. A challenging test case for large eddy simulation: High Reynolds number circular cylinder flow [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2000, 21(5): 648.

[17]Cantwell B, Coles D. An exprimental study of entrainment and transport in the turbulent near wake of a circular cylinder [J]. Journal of Fluids and Mechanics, 1983, 136: 321.

[18]Behara S, Mittal S. Transition of the boundary layer on a circular cylinder in the presence of a trip [J]. Journal of Fluids and Structures, 2011, 27: 702.

Large Eddy Simulation of Flow Around Stay Cable with Upper Rivulet

DU Xiaoqing1， LI Junjun1， GU Ming2， HE Ping1

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To understand the relationship between the flow field characteristics and aerodynamics of the cable with the upper rivulet, the flow around and aerodynamic characteristics of a cable model with an upper rivulet were investigated using large eddy simulation (LES) in the subcritical regime. The results show that there exist three distinct flow regimes with the rivulet located at different positions. In the range ofθu=0°～50°, the rivulet has little influence on the cable. In the range ofθu=50°～70°, with the interferences of the upper rivulet, the upper-side shear layer of the cable which is detached from the rivulet can reattach on the cable surface and form a single separation bubble at the upper side of the cable, which induces an asymmetrical pressure distribution on the cable surface. In the range ofθu=70°～90°, the upper-side shear layer detaches at the rivulet, which causes a lower negative pressure on the upper-side surface compared to those of the lower-side of the cable. It is concluded that the appearance and disappearance of the single separation bubble are the underlying reasons for the occurrence of the rain-wind-induced vibration (RWIV).

stay cable; rain-wind-induced vibration; large eddy simulation; upper rivulet; separation bubble

2015-11-19

上海市自然科學(xué)基金(14ZR1416000)；上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ004)；國家自然科學(xué)基金(51578330)

杜曉慶(1973—)，男，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)風(fēng)工程. E-mail: dxq@shu.edu.cn

U448.27

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