大跨桥梁风致颤振的吸气绕流控制

借鉴航空领域中利用主动改变绕流边界层结构以改善飞行器空气动力特性的思路，针对大跨桥梁风致颤振稳定性这一突出问题，提出基于桥梁断面主动绕流控制的吸气方法。通过在桥梁断面安装吸气装置，并利用外界能量提供装置吸气气流，来改善大跨桥梁在大气边界层来流风场作用下的断面绕流结构，改善断面绕流品质，从而提高大跨桥梁颤振稳定性。首先，研究吸气与大跨桥梁颤振稳定性物理关系；然后，研究吸气作用下桥梁断面绕流风场数值模拟；之后，建立桥梁节段模型吸气试验系统；最后，研究定常吸气对提高大跨桥梁颤振稳定性以及改善桥梁其它风致特性的有效性。本项目研究的吸气方法通过主动改变作用于断面的气动力来实现大跨桥梁抗风能力的提高，其工作原理具有改善气动力更直接且针对性更强的特点。本项目的研究成果将丰富和发展风工程理论，提升我国重大工程防灾减灾基础理论研究水平。

本课题从主动流动控制角度研究基于定常吸气作用的大跨桥梁风致颤振抑制方法。采用理论分析、数值计算与风洞实验相结合的手段，研究了定常吸气对于改善大跨桥梁主梁风致静力，提高颤振稳定性的有效性。主要研究成果如下：.（1）研究了桥梁扁平箱梁断面边界层控制的基本问题。首先，从流体边界层基本理论入手，分析了桥梁扁平箱梁断面边界层特点；然后，根据边界层控制基本方法，针对大跨桥梁结构的风致静力与动力问题，提出了基于边界层改变进而改善大跨桥梁空气动力学特性的指导原则与基本方法；最后，针对大跨桥梁颤振稳定性这一突出问题，通过实例探讨了桥梁风嘴改变对颤振稳定性的影响，并分析了产生影响的原因。.（2）研究了桥梁断面在吹吸气方式下的流场数值模拟方法，并提出了利用定常吸气手段减小桥梁断面阻力，提高桥梁颤振稳定性，进而提高桥梁抗风能力的方法。首先，给出了桥梁断面吸气孔及其它相关参数的设置方法；然后，考虑了基于CFD数值方法模拟外流与吸气共同作用下的桥梁断面绕流风场在计算上的特殊性，并实现了吸气下桥梁断面绕流风场的数值模拟；之后，通过对桥梁断面模型吸气作用下静力特性的实例计算，得出了吸气对于风流作用下桥梁静力作用的影响规律，并在吸气下断面风场模拟的基础上，实现了吹气作用下桥梁断面绕流风场的模拟，且得出了吹气对风流作用下桥梁断面静力作用的影响规律。最后，通过对吸气作用下虎门大桥颤振稳定性的计算，得出了定常吸气对大跨桥梁颤振稳定性的影响规律。.（3）以实现结构断面吸气绕流控制为目标，开发了可实现风洞试验模型断面吸气功能的吸气发生设备，给出了吸气发生设备的工作原理、系统组成、工作过程以及设计方法。.（4）以研究吸气对于改善桥梁断面绕流品质，以及提高大跨桥梁抗风能力的有效性为目的，研究给出了风致绕流物体的吸气与定常吸气定义，提出了用以描述物体吸气状态的吸气模式、当量吸气速度、吸气系数等基本参数。通过大跨桥梁主梁风洞试验，验证了定常吸气对于改善大跨桥梁主梁风致静力特性、颤振稳定性的有效性。