基于计算机视觉测量及PIV技术的拉索风雨振机理研究

This project plans to investigate the excitation mechanism of rain-wind induced cable vibration (RWIV) using the videogrammetry and PIV technics. First, the videogrammetry technic will be developed to measure the cable displacement and the water rivulet simultaneously. And the shape, size, and the time-space four-dimensional distributions of the upper rivulet will be investigated in detail during the RWIV (reproduced by guiding water lines). Then, the wind pressure on the stay cable with the upper rivulet will be measured and the influences of the upper rivulet on the aerodynamic forces of the cable will be carefully investigated. Finally, the PIV technic will be applied to measure the wind speed around the stay cable. The influence of the upper rivulet on the boundary layer state and the wake flow of the stay cable will be revealed and the excitation mechanism of the RWIV will be explained through hydrodynamics. This project takes the advantages of the videogrammetry, which is non-destructive, cost effective, and offers multi-point measurement, and the guiding water line method, which keeps the water rivulet’s flexibility and avoids the flying water drops that might damage the test equipment. Besides, for the first time, the PIV technic is applied to investigate the influence of the upper rivulet on the boundary layer state and wake flow of the stay cable, making it possible to explain the excitation mechanism of the RWIV through hydrodynamics.

本项目拟采用计算机视觉测量及PIV技术对拉索风雨振的机理进行深入研究。首先，基于计算机视觉测量技术研发一套拉索位移及水线同步测量系统，研究风雨振中水线的形状、大小、时-空四维度分布规律；再用特殊打孔测压法测量带真水线（导入水线法模拟的水线）斜拉索的表面气压分布，研究上水线对拉索气动力的干扰规律；最后，采用PIV技术测量拉索绕流流场，研究上水线对拉索绕流流场的干扰规律，解释上水线对拉索气动力干扰的原因，提出风雨振流体动力学机理。本项目合理利用了计算机视觉测量技术非接触、无干扰、多点测量、高性价比等优点，既避免了测量仪器对水线的干扰又能同时测量水线形状、大小、位置及其轴向分布，解决了精确测量水线的难题；导入水线法模拟水线既能保证水线的相似性又能避免雨滴对测量仪器威胁；首次利用PIV技术研究上水线对拉索绕流流场的干扰规律，能够解释拉索风雨振流体动力学机理；研究具有理论意义及实用价值。

大跨度斜拉桥的斜拉索由于质量轻、结构柔、阻尼低，在外荷载激励下极易发生大幅振动，风雨振就是常见的拉索振动之一。风雨振对拉索及其附属设施造成严重危害，例如降低斜拉索使用寿命、引起拉索锚具疲劳破坏、损坏拉索抗腐蚀保护层、破坏阻尼器等。本项目采用计算机视觉测量及PIV技术对拉索风雨振的机理进行深入研究。提出了一种基于计算机视觉的拉索风雨振水线测量方法，通过理论推导确定了水线/水膜的灰度值与水线/水膜厚度之间的关系，通过室内水线厚度测量试验证明了该测试方法的可靠性。采用提出的水线视觉测量方法对拉索风雨振过程中的水线进行了系统测量，揭示了拉索风雨振中水线的形状、大小、时-空四维度分布规律，总结了水线拓扑形态演变过程。采用倾斜打孔测压方法避免了水线对风压测试的干扰，实现了风压与拉索振动的同步测试，揭示了上水线对风压分布及气动力的干扰规律，即：当拉索由下往上运动的过程中，上水线干扰流场，使之形成与临界雷诺数单边再附流态类似的流场状态，产生与结构运动方向一致的气动升力；当拉索由上往下运动的过程中，水线对拉索表面风压没有明显干扰。通过流场测试和经典圆柱绕流理论，提出了拉索风雨振气-液-固三相耦合致振机理，即拉索、水线和边界层三者耦合作用是拉索风雨振的主要原因，当上水线在拉索表面周期性运动，干扰拉索上表面提前转捩和再附，边界层转捩和再附产生气动升力激励拉索大幅振动，拉索振动时通过惯性力和风攻角调谐水线运动，使之振动的周期性更强和沿拉索轴向分布更加均一，进而强化对边界层的干扰。基于以上致振机理，提出了以边界层干扰因子为调谐函数的拉索风雨振荷载数学模型，并通过数值分析证实该模型能够模拟风雨振的主要特性。同时，通过系统风洞试验揭示了结构阻尼比、螺旋线、拉索与水线振动相位差、模型直径等参数对风雨振振幅的影响规律。研究成果对大跨桥梁风致振动及其控制具有重用意义。