风流知音 【航空知音】冯卡门也犯错?大桥振动和卡门涡街到底什么关系? (2020年5月9日) CFDST(2020)1014
张伟伟 李新涛 豆子皓 高传强
西北工业大学
摘 要:首先介绍了卡门涡街、涡激振动和颤振的概念。在此基础上,讲述历史上塔科马大桥风毁事件的研究争论,并再次澄清塔科马大桥风毁的原因是颤振而不是涡激共振,故与卡门涡街无关。最后,对虎门大桥振动问题,针对风工程领域中涡激振动问题的性质进行了讨论,指出限幅涡振问题,并伴随的锁频现象,本质上仍是结构自激振动问题,卡门涡街起到的是诱发而不是直接的推动作用。
作者简介:
张伟伟
目前主要从事三个方向的研究:(1)气动弹性力学(2)智能流体力学(3)理论与计算流体力学。主持国家自然基金5项,863项目3项,重大专项2项,其他省部级项目10余项。完成航空、航天、兵器等单位型号及预研项目20余项,解决了多个关键技术难题。
1979年8月,工学博士,西北工业大学教授。现任西北工业大学航空学院副院长,流体力学智能化研究所所长。获得省部级科技奖5项,授权发明专利7项,撰写著作1本。在国内外刊物和学术会议发表论文100余篇。现任中国空气动力学会理事,陕西省力学学会理事,Aerospace Science and Technology期刊副编辑,航空学报,空气动力学报,实验流体力学,气体物理,航空工程进展等期刊的青年编委。
图1 从空中俯瞰云团流过岛屿形成的与数值模拟的卡门涡街
图2 圆柱的涡激振动模型与动画
(a)无人机发生颤振解体(b)滑翔机发生非线性颤振
图3 颤振现象
Tacoma大桥风毁事件始末
图4 Tacoma大桥扭转振动并坍塌
图5 教科书中将卡门涡街作为Tacoma扭转振动的解释
(2)
图6 Dowell教授专著中对Scanlan教授颤振解释的肯定
虎门大桥的振动
1) 很多问题中的频率锁定范围会远远偏离共振的频率比范畴(0.85-1.15),频率比甚至超过1:2;
2) 很多时候的最大振幅并不是在共振点处取得;
3) 非线性共振的机制是什么?什么机制促使结构响应频率不跟随外激励力频率?
图7 Re=60圆柱涡致振动现象示意图:
(a)振动幅值;(b)振动频率
图8 线性稳定性分析得到的耦合系统根轨迹
图9 Re=40的定常绕流图
图10 Re=40,沉浮刚度释放后的涡激振动动画
图11 亚临界雷诺数(Re=33)下耦合系统的根轨迹
图12 亚临界雷诺数(Re=33)下的涡致振动振幅和频率随风速的变化
颤振、涡振以及其它流致振动问题
结 论
参考文献
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