流線閉口箱梁渦振氣動(dòng)力的雷諾數(shù)效應(yīng)研究

胡傳新， 趙 林， 陳海興， 周志勇， 葛耀君

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006)

渦激振動(dòng)是大跨度橋梁在低風(fēng)速易發(fā)的具有強(qiáng)迫和自激雙重性質(zhì)的自限幅風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。日本東京灣通道橋(Trans-Tokyo Bay Bridge)、巴西里約尼泰羅伊大橋(Rio-Niteroi Bridge)和丹麥的大帶橋(Great East Belt Bridge)、美國(guó)Old Tacoma橋和中國(guó)西堠門大橋都曾觀測(cè)到明顯豎彎渦振[1-5]。最新研究表明，渦振發(fā)生發(fā)展過程中，氣動(dòng)力具有明顯的演化特性[6]。雷諾數(shù)表征流體慣性力與黏性力之間的比例關(guān)系，決定了邊界層的成長(zhǎng)和流動(dòng)的分離，是衡量邊界層和層流向湍流轉(zhuǎn)變的尺寸，對(duì)旋渦的形成具有重要影響。由于常規(guī)橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)無法做到雷諾數(shù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，導(dǎo)致風(fēng)洞試驗(yàn)預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)及靜動(dòng)力參數(shù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在不可忽視的差異，即為雷諾數(shù)效應(yīng)。

1998年開始通車運(yùn)營(yíng)的丹麥大海帶東橋引橋施工時(shí)，在主梁架設(shè)過程中發(fā)生渦振，實(shí)測(cè)渦振頻率、渦振振幅與低速風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果不一致，由此引起各國(guó)學(xué)者對(duì)橋梁渦激共振性能受雷諾數(shù)影響問題的關(guān)注。Larsen等[7]在壓力風(fēng)洞中證實(shí)Strouhal數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)是導(dǎo)致風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的渦激振動(dòng)起振風(fēng)速不一致的原因，Schewe等[8]認(rèn)為該橋梁模型的雷諾數(shù)效應(yīng)是由于其尾流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致的。鑒于他們的研究都是針對(duì)該特定的工程實(shí)例，研究成果具有一定的局限性，不具有普遍性，很多學(xué)者針對(duì)具體橋梁斷面的渦振雷諾數(shù)效應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究。Larose等[9]對(duì)香港昂船洲大橋分離箱梁主梁斷面進(jìn)行了1∶80和1∶20高低雷諾數(shù)的試驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明，0°攻角時(shí)，導(dǎo)流板在低雷諾數(shù)試驗(yàn)中會(huì)擴(kuò)大渦振振幅，而在高雷諾數(shù)試驗(yàn)中卻能大幅減小渦振振幅。張偉等[10]也針對(duì)西堠門大橋進(jìn)行了高低雷諾數(shù)下分離箱梁主梁斷面的渦振性能研究，發(fā)現(xiàn)在0°攻角下，高低雷諾數(shù)時(shí)導(dǎo)流板都能夠大幅減小渦振振幅；攻角存在時(shí)，導(dǎo)流板會(huì)在低雷諾數(shù)時(shí)增加渦振振幅，在高雷諾數(shù)時(shí)減小渦振振幅，但在不同的攻角時(shí)減小幅度不同。Li等[11]也針對(duì)西堠門大橋分離箱梁主梁斷面進(jìn)行了渦振雷諾數(shù)效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)越大，渦振起振風(fēng)速越低，渦振最大振幅越小，渦振鎖定區(qū)間越大。李加武等[12]針對(duì)流線型主梁斷面進(jìn)行了高低雷諾數(shù)渦振研究，發(fā)現(xiàn)高低雷諾數(shù)渦振鎖定區(qū)間有所不同，且高雷諾數(shù)時(shí)渦振振幅大于低雷諾數(shù)時(shí)。崔欣等[13]針對(duì)某流線型閉口箱梁主梁斷面進(jìn)行了1∶25和1∶50高低雷諾數(shù)的試驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)高雷諾數(shù)時(shí)渦振鎖定區(qū)間及渦振振幅均遠(yuǎn)小于低雷諾數(shù)時(shí)。熊龍等[14]和楊詠漪等[15]還分別研究了挑臂式箱梁和鋼桁梁主梁斷面的渦振雷諾數(shù)效應(yīng)。還有學(xué)者研究了雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)、表面壓力系數(shù)和Strouhal數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)的影響[16-19]。

綜上所述，橋梁斷面雷諾數(shù)效應(yīng)非常復(fù)雜，不同橋梁斷面對(duì)雷諾數(shù)效應(yīng)的敏感程度不同[20]。風(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型測(cè)振和測(cè)壓方法是研究橋梁斷面雷諾數(shù)效應(yīng)的主要手段。對(duì)于分離箱梁斷面，低雷諾數(shù)比高雷諾數(shù)時(shí)渦振振幅大，更為不利。而對(duì)于流線型箱梁斷面，各學(xué)者得出的結(jié)論不盡一致，甚至截然相反。因而，對(duì)于流線型箱梁斷面渦振雷諾數(shù)效應(yīng)需要進(jìn)行更為廣泛而深入的研究。橋梁斷面雷諾數(shù)效應(yīng)的本質(zhì)是不同雷諾數(shù)條件下，氣流分離、再附以及尾流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同?，F(xiàn)有的研究絕大部分是針對(duì)特定的橋梁斷面，不具有普遍性，較多關(guān)注宏觀意義上的渦振響應(yīng)，雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)流線型閉口箱梁渦振氣動(dòng)力時(shí)頻特性的影響研究鮮有涉及。Schewe等基于大海帶東橋鋼箱梁主梁斷面研究發(fā)現(xiàn)：鋼箱梁斷面斯特羅哈數(shù)有明顯的雷諾數(shù)效應(yīng)。第一階段，當(dāng)以梁高作為特征尺寸的雷諾數(shù)Re<8×104時(shí)，斯特羅哈數(shù)為0.18；第二階段，雷諾數(shù)Re在8×104～4×105范圍內(nèi)時(shí)，斯特羅哈數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大；第三階段，雷諾數(shù)Re>4×105時(shí)，斯特羅哈數(shù)達(dá)到0.22，基本穩(wěn)定?；诘湫土骶€型箱梁斷面，分別設(shè)計(jì)幾何縮尺比為1∶70和1∶20主梁節(jié)段模型，風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)以梁高為特征尺寸雷諾數(shù)范圍分別為6.08×103～2.28×104、1.06×104～1.40×105，分別對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)[8]主梁斷面的第一階段和第二階段，采用風(fēng)洞試驗(yàn)同步測(cè)振測(cè)壓法，首先通過節(jié)段模型測(cè)振試驗(yàn)研究了雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)主梁渦振響應(yīng)影響。在此基礎(chǔ)上，在豎向渦振區(qū)篩選典型風(fēng)速點(diǎn)，對(duì)兩種雷諾數(shù)下箱梁表面氣動(dòng)力時(shí)頻特性進(jìn)行對(duì)比研究，研究?jī)?nèi)容：分布?xì)鈩?dòng)力空間分布特性，包括平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)；分布?xì)鈩?dòng)力與渦激力關(guān)系，包括分布?xì)鈩?dòng)力與渦激力相關(guān)性、對(duì)渦激力的貢獻(xiàn)以及與渦激力相位差等時(shí)頻特性規(guī)律。從微觀層面上揭示雷諾數(shù)效應(yīng)與渦振響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 主梁外形

研究對(duì)象為主跨780 m斜拉橋，跨徑布置為325 m+780 m+325 m。主梁斷面為流線型閉口箱梁，梁寬B為38.0 m，中心處梁高D為3.1 m，主梁斷面及附屬設(shè)施細(xì)部，如圖1所示。

圖1 主梁斷面尺寸(m)

1.2 模型設(shè)計(jì)與測(cè)控設(shè)備

1∶20大比尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀射摽蚣芴峁┱w剛度，防撞欄和檢修軌道采用ABS板雕刻，人行道欄桿采用精加工鋼管焊接，外衣采用薄鋼板鋪裝。模型中部斷面布置測(cè)壓孔，共158個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為20～30 mm，測(cè)壓管內(nèi)徑為0.8 mm，壓力導(dǎo)管長(zhǎng)度均為1 200 mm。1∶70小比尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓛筛L(zhǎng)1 700 mm，壁厚為1 mm，截面尺寸為50 mm×50 mm的薄壁空心鋁方管縱梁和6個(gè)薄壁空心鋁橫梁構(gòu)成的框架提供模型整體剛度。人行道欄桿和防撞欄均采用ABS板激光雕刻而成。模型外衣采用輕質(zhì)航空木板制成，并模型中部斷面布置分布式測(cè)壓孔，共81個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)壓點(diǎn)之間的距離在10～20 mm之間，測(cè)壓管內(nèi)徑為0.8 mm，長(zhǎng)度均為1 200 mm。

大比尺和小比尺節(jié)段模型分別安裝于風(fēng)洞內(nèi)支架系統(tǒng)上，保證模型兩端與支架系統(tǒng)內(nèi)壁間隙足夠小且在試驗(yàn)中不會(huì)發(fā)生接觸，以避免三維繞流效應(yīng)。模型與兩根吊臂相連；吊臂兩端再分別通過上下四根彈簧與支座系統(tǒng)相連，形成彈性懸掛系統(tǒng)，同時(shí)在吊臂處布置激光位移傳感器，風(fēng)洞試驗(yàn)如圖2所示。

試驗(yàn)采用日本Matsushita公司MLS LM10-130 ANR1215型激光位移傳感器，測(cè)量范圍130±50 mm，分辨率20 μm，線性度誤差在±0.2%以內(nèi)。表面壓力測(cè)試使用美國(guó)SCANIVALVE掃描閥公司生產(chǎn)的量程為±254 mm和±508 mm水柱的DSM3000電子式壓力掃描閥系統(tǒng)、PC機(jī)和自編的信號(hào)采集軟件。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-3邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是一個(gè)豎向布置的閉口回流式邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段長(zhǎng)14 m，矩形斷面(寬15 m，高2 m)?？诊L(fēng)洞可控風(fēng)速范圍為1～17.6 m/s，連續(xù)可調(diào)，紊流度小于1%。試驗(yàn)過程模型及支架系統(tǒng)最大阻塞比小于5%，故不需對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)修正。為了減小測(cè)壓信號(hào)畸變的影響，采用測(cè)壓管路頻響函數(shù)對(duì)測(cè)壓信號(hào)進(jìn)行修正。主梁節(jié)段模型的主要參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)中大比尺和小比尺模型在零風(fēng)速下的豎向和扭轉(zhuǎn)阻尼比相同。

表1 主梁節(jié)段模型主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)大比尺和小比尺節(jié)段模型分別進(jìn)行了0°、-3°、+3°攻角下的渦激共振試驗(yàn)，小比尺模型試驗(yàn)風(fēng)速為2.0～7.5 m/s，對(duì)應(yīng)基于主梁特征高度的雷諾數(shù)范圍為6.08×103～2.28×104。大比尺模型試驗(yàn)風(fēng)速為1.0～13.0 m/s，對(duì)應(yīng)基于主梁特征高度的雷諾數(shù)范圍為1.06×104～1.40×105。0°和-3°初始攻角下，并未發(fā)現(xiàn)明顯渦振現(xiàn)象。+3°初始攻角下，在不同雷諾數(shù)下渦振響應(yīng)對(duì)比如圖3所示。圖中，橫坐標(biāo)表示折算風(fēng)速U*=U/fhB， 其中U為來流風(fēng)速，fh為豎彎頻率； 縱坐標(biāo)表示歸一化振幅A/D， 其中A為豎向振幅。 折減風(fēng)速小于2.06范圍內(nèi)，低雷諾數(shù)時(shí)存在2階豎彎渦振區(qū)，不存在扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象，高雷諾數(shù)時(shí)存在3階豎向渦振鎖定區(qū)和1階扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)。高雷諾數(shù)時(shí)的第2階與低雷諾數(shù)時(shí)的第1階豎向渦振鎖定區(qū)間較為接近，高雷諾數(shù)時(shí)渦振起振風(fēng)速明顯提前，振幅明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)；高雷諾數(shù)時(shí)的第3階與低雷諾數(shù)時(shí)的第2階渦振鎖定區(qū)間較為接近，高雷諾數(shù)時(shí)渦振起振風(fēng)速略微滯后，振幅明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)，但最大振幅發(fā)生風(fēng)速基本一致?？傊?，與低雷諾數(shù)時(shí)相比，高雷諾數(shù)時(shí)豎向渦振發(fā)生風(fēng)速低，振幅大，且出現(xiàn)了低雷諾數(shù)時(shí)未觀測(cè)到的扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象，故高雷諾數(shù)時(shí)較低雷諾數(shù)時(shí)更為不利，與文獻(xiàn)[12]結(jié)論一致，與文獻(xiàn)[13]結(jié)論相悖，進(jìn)一步表明了渦振及其雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)外形的敏感性。

分別取豎向渦振最大幅值對(duì)應(yīng)風(fēng)速點(diǎn)作為典型風(fēng)速：大比尺模型折減風(fēng)速1.99，斯托羅哈數(shù)為0.042，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為1.33×105，對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)[7]中的第二階段(斯托羅哈數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加)，以下稱為高雷諾數(shù)；小比尺模型折減風(fēng)速2.05，斯托羅哈數(shù)為0.041，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為1.89×104，對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)[8]中的第一階段(斯托羅哈數(shù)較小，為恒定值)以下稱為低雷諾數(shù)?？芍蟊瘸吆托”瘸吣Ｐ退雇辛_哈數(shù)相近，與文獻(xiàn)[21]結(jié)論相近。對(duì)上述典型風(fēng)速下箱梁表面氣動(dòng)力進(jìn)行分析，探究雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)箱梁表面氣動(dòng)力時(shí)頻特性影響，并揭示雷諾數(shù)效應(yīng)與渦振響應(yīng)之間內(nèi)在聯(lián)系。以下如無特別說明，均以高、低雷諾數(shù)分別指代上述風(fēng)速點(diǎn)。

圖3 不同雷諾數(shù)下渦振響應(yīng)對(duì)比

3 氣動(dòng)力時(shí)頻特性

箱梁表面壓力包含了豐富的信息，可反映斷面氣體繞流情況，通過積分還可獲得總體氣動(dòng)力及渦激力。根據(jù)節(jié)段模型表面壓力信號(hào)，對(duì)比分析不同雷諾數(shù)時(shí)原始斷面箱梁表面氣動(dòng)力時(shí)頻特性。

3.1 分布力特性

由箱梁表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布特征可初步判斷氣流在結(jié)構(gòu)表面的分離與再附情況。測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)定義為

(1)

式中：pi(t)為i測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程；U0為相應(yīng)工況下來流平均風(fēng)速；Cpi(t)為i測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程。

圖4給出了高低雷諾數(shù)時(shí)表面平均風(fēng)壓系數(shù)空間分布對(duì)比。以下為了表述方便，分別將主梁斷面兩風(fēng)嘴尖角以上和以下區(qū)域分別稱為上部區(qū)域和下部區(qū)域。圖中，X/B表示無量綱坐標(biāo)，B為主梁特征寬度，X為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，主梁中心處取為零。除迎風(fēng)側(cè)風(fēng)嘴為正壓外，其余部分處于負(fù)壓區(qū)。在上表面區(qū)域，越接近迎風(fēng)側(cè)，測(cè)點(diǎn)區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)越大，在下表面區(qū)域，兩個(gè)檢修軌道附近區(qū)域的測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)明顯高于其余部分，可能是由于檢修軌道引起結(jié)構(gòu)外形突變，導(dǎo)致氣流在此區(qū)域分離，從而產(chǎn)生較大負(fù)壓。不同雷諾數(shù)條件下，表面平均風(fēng)壓空間分布特性基本相似。有所不同的是，低雷諾數(shù)時(shí)上表面下游、下游上斜腹板及下斜腹板區(qū)域負(fù)壓值明顯大于高雷諾數(shù)。

渦振過程中，動(dòng)荷載是由壓力脈動(dòng)部分提供，表面壓力系數(shù)根方差σ反映了斷面上壓力脈動(dòng)的強(qiáng)弱。圖5給出了高低雷諾數(shù)時(shí)表面壓力系數(shù)根方差σ空間分布對(duì)比。箱梁上表面下游、下表面下游與風(fēng)嘴轉(zhuǎn)角區(qū)域壓力系數(shù)根方差明顯較大。不同雷諾數(shù)條件下，下部區(qū)域脈動(dòng)壓力空間分布特性相似。有所不同的是，低雷諾數(shù)時(shí)上表面上游區(qū)域壓力脈動(dòng)值大于高雷諾數(shù)，上表面中游區(qū)域壓力脈動(dòng)值明顯小于高雷諾數(shù)，而在上表面下游區(qū)域壓力脈動(dòng)值大于高雷諾數(shù)。特別是高雷諾數(shù)時(shí)下表面下游與風(fēng)嘴轉(zhuǎn)角區(qū)域壓力脈動(dòng)明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)。

圖4 平均壓力系數(shù)

圖5 壓力系數(shù)根方差

模型表面壓力的頻譜能夠反映壓力脈動(dòng)的頻率特征，卓越頻率反映了壓力變化主導(dǎo)頻率，幅值譜則反映了不同頻率處壓力幅值。渦振時(shí)，表面壓力普遍存在與渦振振動(dòng)頻率一致的卓越頻率，表明渦振激發(fā)后，結(jié)構(gòu)表面渦脫被結(jié)構(gòu)振動(dòng)所控制，表面氣動(dòng)力變化主要由卓越頻率主導(dǎo)。定義無量綱氣動(dòng)力系數(shù)

(2)

對(duì)比圖5與圖6可知，表面壓力脈動(dòng)值與卓越頻率處壓力幅值分布一致，表明渦振斷面結(jié)構(gòu)表面的壓力主要以卓越頻率周期性變化。與低雷諾數(shù)時(shí)不同，高雷諾數(shù)時(shí)下游檢修軌道附近區(qū)域卓越頻率處壓力系數(shù)幅值與壓力系數(shù)根方差差異較大，表明該區(qū)域壓力脈動(dòng)不僅有自激力成分，還含有明顯的強(qiáng)迫力成分。

總之，不同雷諾數(shù)條件下，表面平均風(fēng)壓系數(shù)、壓力系數(shù)根方差空間分布及壓力脈動(dòng)成分均有所不同，表現(xiàn)出顯著的雷諾數(shù)效應(yīng)。

3.2 分布?xì)鈩?dòng)力與渦激力關(guān)系

對(duì)于測(cè)壓試驗(yàn)得到的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程，采用壓力積分的方法獲取總氣動(dòng)力，轉(zhuǎn)換到風(fēng)軸坐標(biāo)系后，減去均值即得渦激力時(shí)程。

箱梁表面壓力與渦激力的相關(guān)性可綜合反映兩者的頻率特征和相位特征。箱梁表面各測(cè)點(diǎn)所受的氣動(dòng)力與渦激氣動(dòng)力的相關(guān)系數(shù)ρi綜合反映了兩者的頻率特征和相位特征。其定義如下

(3)

式中：ρi為i測(cè)點(diǎn)壓力與渦激力相關(guān)系數(shù)；Faero(t)為渦激力時(shí)程；pi(t)為i測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程。

圖7給出了不同雷諾數(shù)時(shí)箱梁表面測(cè)點(diǎn)壓力與渦激力相關(guān)性空間分布對(duì)比。上表面下游區(qū)域在高低雷諾數(shù)時(shí)均表現(xiàn)為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較接近且數(shù)值在0.6以上。上表面中上游區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)明顯負(fù)相關(guān)，低雷諾數(shù)時(shí)相關(guān)性幾乎為零。上表面中下游區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)相關(guān)性為零，低雷諾數(shù)時(shí)為正相關(guān)。下表面區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.6，且明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)?？傊?，不同雷諾數(shù)時(shí)相關(guān)系數(shù)空間分布明顯不同。

圖6 表面壓力卓越頻率處壓力系數(shù)幅值

圖7 表面壓力與渦激力相關(guān)性

箱梁表面各測(cè)點(diǎn)區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦振的貢獻(xiàn)同時(shí)取決于測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)大小及其與渦激力的相關(guān)性。箱梁表面各測(cè)點(diǎn)區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)，可表達(dá)為

Caero-i=Cσiρi

(4)

式中：Cσi為i測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)根方差；ρi為i測(cè)點(diǎn)壓力與渦激力相關(guān)系數(shù)；Caero-i為箱梁表面各測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)值。當(dāng)Caero-i為正時(shí)，表示i測(cè)點(diǎn)區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力起增強(qiáng)作用； 當(dāng)Caero-i為負(fù)時(shí)， 表示i測(cè)點(diǎn)區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力起抑制作用。

圖8給出了高低雷諾數(shù)時(shí)測(cè)點(diǎn)區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)值空間分布對(duì)比。高雷諾數(shù)時(shí)，上表面下游、中上游和下表面區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)較大，其中上表面下游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力起增強(qiáng)作用，其它區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力起抑制作用；低雷諾數(shù)與高雷諾數(shù)有所不同，上表面中上游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力幾乎無貢獻(xiàn)，上表面下游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力的貢獻(xiàn)與高雷諾數(shù)時(shí)相近，下表面區(qū)域和迎風(fēng)面斜腹板區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力抑制作用遠(yuǎn)小于高雷諾數(shù)時(shí)。而下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力抑制作用遠(yuǎn)大于高雷諾數(shù)時(shí)，結(jié)合第2節(jié)渦振響應(yīng)對(duì)比，可推測(cè)這正是低雷諾數(shù)時(shí)渦振幅值遠(yuǎn)小于高雷諾數(shù)時(shí)的主要原因?？傊?，雷諾數(shù)效應(yīng)引起不同區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)的變化，其中下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)作用的變化導(dǎo)致渦振響應(yīng)的雷諾數(shù)效應(yīng)。

互功率譜密度函數(shù)的相位部分即相位譜，反映了兩個(gè)信號(hào)在不同頻率分量上的相位差。圖9給出了不同雷諾數(shù)時(shí)分布?xì)鈩?dòng)力與渦激力在卓越頻率處相位差分布對(duì)比。上表面區(qū)域氣動(dòng)力與渦激力的相位差線性連續(xù)變化，在高、低雷諾數(shù)時(shí)分別在X/B=0和0.14處時(shí)產(chǎn)生突變。在下表面區(qū)域，高低雷諾數(shù)時(shí)相位差變化規(guī)律及數(shù)值明顯不同。

圖8 表面壓力對(duì)渦激力的貢獻(xiàn)

圖9 分布?xì)鈩?dòng)力卓越頻率處與渦激力相位差

總之，不同雷諾數(shù)時(shí)相位差空間分布明顯不同，表現(xiàn)出顯著雷諾數(shù)效應(yīng)，該效應(yīng)必然導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)，由式(4)可知，進(jìn)一步引起分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)值的雷諾數(shù)效應(yīng)。低雷諾數(shù)時(shí)下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力抑制作用遠(yuǎn)大于高雷諾數(shù)時(shí)，這是低雷諾數(shù)時(shí)渦振幅值遠(yuǎn)小于高雷諾數(shù)時(shí)的主要原因。故雷諾數(shù)效應(yīng)引起不同區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)的變化，其中下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)作用的變化最終導(dǎo)致渦振響應(yīng)的雷諾數(shù)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

針對(duì)典型流線閉口箱梁主梁斷面，分別進(jìn)行了小尺度和大尺度節(jié)段模型同步測(cè)振、測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。渦振響應(yīng)結(jié)果表明：流線型閉口箱梁斷面的渦振響應(yīng)具有明顯的雷諾數(shù)效應(yīng)，表現(xiàn)為高低雷諾數(shù)時(shí)渦振振幅和鎖定區(qū)間均明顯不同。其中，高雷諾數(shù)時(shí)較低雷諾數(shù)時(shí)更為不利，表現(xiàn)為渦振響應(yīng)明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)，且渦振起振風(fēng)速低于低雷諾數(shù)時(shí)。此外，原始斷面在高雷諾數(shù)時(shí)出現(xiàn)了低雷諾數(shù)時(shí)并未出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，在豎向渦振區(qū)篩選典型風(fēng)速點(diǎn)，對(duì)兩種雷諾數(shù)下箱梁表面氣動(dòng)力時(shí)頻特性進(jìn)行對(duì)比研究。研究結(jié)論如下：

(1) 不同雷諾數(shù)條件下，表面平均風(fēng)壓系數(shù)、壓力系數(shù)根方差、分布?xì)鈩?dòng)力與整體渦激力相位差空間分布及壓力脈動(dòng)成分均有所不同，表現(xiàn)出顯著的雷諾數(shù)效應(yīng)。低雷諾數(shù)時(shí)上表面下游、下游上斜腹板及下斜腹板區(qū)域負(fù)壓值明顯大于高雷諾數(shù)。高雷諾數(shù)時(shí)下游檢修軌道附近區(qū)域壓力脈動(dòng)明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)，且卓越頻率處壓力系數(shù)幅值與壓力系數(shù)根方差差異較大，表明該區(qū)域壓力脈動(dòng)不僅有自激力成分，還含有明顯的強(qiáng)迫力成分。上表面中上游區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)明顯負(fù)相關(guān)，低雷諾數(shù)時(shí)相關(guān)性幾乎為零。上表面中下游區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)相關(guān)性為零，低雷諾數(shù)時(shí)為正相關(guān)。下表面區(qū)域在高雷諾數(shù)時(shí)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.6，且明顯大于低雷諾數(shù)時(shí)。

(2) 高雷諾數(shù)時(shí)，上表面下游、中上游和下表面區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)較大，其中上表面下游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力起增強(qiáng)作用，其它區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力起抑制作用；低雷諾數(shù)與高雷諾數(shù)有所不同，上表面中上游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力幾乎無貢獻(xiàn)，上表面下游區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力的貢獻(xiàn)與高雷諾數(shù)時(shí)相近，下表面區(qū)域和迎風(fēng)面斜腹板區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力抑制作用遠(yuǎn)小于高雷諾數(shù)時(shí)。而下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力抑制作用遠(yuǎn)大于高雷諾數(shù)時(shí)，這正是低雷諾數(shù)時(shí)渦振幅值遠(yuǎn)小于高雷諾數(shù)時(shí)的主要原因?？傊?，雷諾數(shù)效應(yīng)引起不同雷諾數(shù)條件下區(qū)域分布?xì)鈩?dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)的差異，其中下表面下游與風(fēng)嘴附近區(qū)域氣動(dòng)力對(duì)渦激力貢獻(xiàn)作用的差異是導(dǎo)致渦振響應(yīng)雷諾數(shù)效應(yīng)的主要原因。