12、斜向和倾斜圆柱三维流动特性研究

斜向和倾斜圆柱三维流动特性研究

1. 引言

在大跨度桥梁建设中，斜拉桥因其成本相对较低，成为了比悬索桥更受青睐的选择。近年来，斜拉桥的建设不断增多。然而，斜拉桥的斜拉索由于其细长的形状，在施工阶段和建成通车后都容易发生振动。这种振动可能由多种流体 - 结构相互作用引起，如风雨振效应、风致抖振湍流效应、参数激励、尾流效应等，或者是这些机制的组合。

其中，干索驰振这一现象引起了风工程和空气动力学专家的特别关注，因为目前对其了解还不够深入。许多研究人员开展了大量实验来探究这一现象。研究发现，对于斜拉索倾角在 57°及以上时，在雷诺数约为 Re = 2.2 × 10⁵ 时可能会发生干索驰振。基于空气动力系数随雷诺数和斜拉索倾角的变化，有人提出了用于预测斜拉索驰振条件的空气动力公式。此外，相关部门还为斜拉桥制定了结构阻尼建议，以减少斜拉索驰振的发生。但风洞试验和现场观测表明，在相似雷诺数范围内对相似索模型进行测试，得到的空气动力系数不同，导致结构响应也不同。而且，增加斜拉索的结构阻尼并不一定能有效减少干索驰振，这让全球的桥梁设计师和建造者都感到担忧。

为了更好地理解倾斜圆柱周围的流动情况，实验室采用了多种流动可视化技术。风洞中的油膜可视化技术显示，在雷诺数为 Re = 1.5 × 10⁵ 时，倾角为 42.5°且偏航角在 0° - 45°之间的圆柱背风面存在轴向流动，其他研究在雷诺数高达 Re = 1.65 × 10⁵ 时也有类似发现。斜拉索背风面的轴向流动与干索驰振的起始风速有关，也与由索上水流引起的风雨振起始有关，不过这两种现象对应的雷诺数和索的倾角不同。

本文对倾斜圆柱周围的流动进行了数值模拟，以明确斜拉索干索驰振的发生条件以及圆柱背风面轴向流动的关系。研究涵盖了