D形斷面柱體馳振耦合氣動力特性試驗研究

馬文勇　鄧然然　盧金玉

摘要：覆冰導(dǎo)線馳振耦合氣動力特性的研究是解釋馳振機理的主要手段，也是開發(fā)氣動抑振措施的主要依據(jù)。以常被作為模擬導(dǎo)線覆冰形狀的D形斷面為研究對象，采用靜態(tài)氣動力、馳振響應(yīng)及耦合氣動力測試風(fēng)洞試驗，研究分析了D形斷面柱體的靜態(tài)氣動力特性，基于準(zhǔn)定常假設(shè)的單自由度橫風(fēng)向馳振理論預(yù)測了馳振發(fā)生的風(fēng)向角及臨界風(fēng)速，通過馳振響應(yīng)及動態(tài)氣動力分析，揭示D形斷面馳振的氣動力變化過程。結(jié)果表明：D形斷面在來流與其直線側(cè)夾角為40。左右時易發(fā)生橫風(fēng)向大幅振動；振動是由氣流的分離狀態(tài)隨風(fēng)向角變化引起的，其響應(yīng)的主要氣動力貢獻也來自分離點后的尾流區(qū)域。這種對分離點的敏感表明，通過控制氣流的分離點可以提供有效的抑制馳振措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗；D形斷面柱體；馳振不穩(wěn)定性；馳振響應(yīng)；耦合氣動力

引言

以覆冰導(dǎo)線舞動為代表，馳振是一種發(fā)生在細長結(jié)構(gòu)上的、以橫風(fēng)向為主的風(fēng)致大幅振動，是一種氣動失穩(wěn)的流固耦合現(xiàn)象。目前，還無法從數(shù)學(xué)上系統(tǒng)描述流固耦合的過程，也沒有穩(wěn)定的數(shù)值求解方法，因此需要根據(jù)流固耦合特點將其簡化為諸如渦激共振、馳振及顫振等不同振動類型分別進行研究。

從斷面形狀上看，馳振發(fā)生在非圓形斷面上。以覆冰導(dǎo)線為例，覆冰改變了導(dǎo)線斷面形狀，形成了新月形、扇形或者類似于D形斷面；這種可能引起馳振的斷面形狀常被稱為馳振不穩(wěn)定斷面，其中D形常被用作模擬覆冰導(dǎo)線斷面研究其舞動現(xiàn)象，該斷面形狀也是唯一一種通過現(xiàn)場實測確認的馳振不穩(wěn)定斷面；從振動發(fā)生的方向上看，從橫風(fēng)向單自由度振動，扭轉(zhuǎn)單自由度，彎扭耦合兩自由度，發(fā)展到目前的橫風(fēng)向、順風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向耦合的三自由振動。由于兩自由度和三自由度馳振實際上是由于結(jié)構(gòu)在各個方向自振頻率相同或存在倍數(shù)關(guān)系形成的結(jié)構(gòu)動力耦合，一般對于單根導(dǎo)線而言扭轉(zhuǎn)向自振頻率遠大于橫風(fēng)向自振頻率，因此橫風(fēng)向單自由度馳振模型仍然是馳振最主要的理論模型之一。

從耦合機理上看，馳振被認為是一種準(zhǔn)定常過程，即馳振發(fā)生時，作用在結(jié)構(gòu)上的氣動力由來流風(fēng)速和結(jié)構(gòu)運動速度決定，可以簡單描述為：結(jié)構(gòu)運動速度決定相對風(fēng)向角、相對風(fēng)向角決定平均氣動力。滿足準(zhǔn)定常假設(shè)是馳振區(qū)分渦激共振和顫振的一個主要依據(jù)。這種假設(shè)由Den Hartog提出，并分別由Fung和Blevin給出了采用折減風(fēng)速作為滿足準(zhǔn)定常假設(shè)的量化判斷標(biāo)準(zhǔn)。該假設(shè)極大地簡化了馳振的研究模型。基于準(zhǔn)定常假設(shè)，馳振任意時刻的動態(tài)氣動力可由對應(yīng)相同相對風(fēng)向角下的定常狀態(tài)的靜態(tài)氣動力描述。因此馳振發(fā)生的臨界風(fēng)速以及馳振響應(yīng)都可以通過不同風(fēng)向角下的平均靜態(tài)氣動力進行分析。

由于馳振被認為是一種空氣動力失穩(wěn)現(xiàn)象，在工程設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量避免其發(fā)生，因此工程設(shè)計人員對馳振臨界風(fēng)速計算以及如何提高馳振臨界風(fēng)速比較感興趣，加上馳振發(fā)生后索結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜的幾何非線性以及馳振動態(tài)氣動力的非線性特點，對馳振響應(yīng)尤其是馳振動態(tài)氣動力的研究很少。近年來，由于位于臨界雷諾數(shù)區(qū)氣動力的不穩(wěn)定性，準(zhǔn)定常假設(shè)無法預(yù)測光滑斷面位于臨界雷諾數(shù)區(qū)的大幅振動（干索馳振），該假設(shè)的適用性以及馳振動態(tài)氣動力特性開始受到工程界的關(guān)注。事實上，雖然準(zhǔn)定常假設(shè)在非臨界雷諾數(shù)區(qū)多種斷面形狀的馳振風(fēng)向角及馳振臨界風(fēng)速的估算上都得到了有效的驗證，但是發(fā)生馳振時的動態(tài)氣動力的變化規(guī)律研究幾乎未見報道。這種動態(tài)氣動力的變化規(guī)律不僅可以揭示馳振的耦合過程，也可以為開發(fā)馳振抑振措施提供依據(jù)。

以揭示D形的斷面馳振耦合過程及馳振耦合氣動力特點為目的，本文通過靜態(tài)模型測壓風(fēng)洞試驗和彈性支撐模型測振及測壓試驗，對D形斷面的靜態(tài)氣動力、馳振響應(yīng)、馳振耦合氣動力的特點進行了分析，并討論了準(zhǔn)定常假設(shè)的適用性、D形斷面馳振耦合的氣動力特點及該氣動力的形成原因。