基于雷諾數的橋梁斷面雷諾數效應研究

0平均壓力系數在橋抗風研究中，三分力系數是振動振動響應分析、振動穩定性分析、靜態振動負荷和穩定性分析的重要參數。三大因素的價值直接影響橋抗風分析的精度。長期以來,橋梁斷面的三分力系數的雷諾數效應一直沒有引起重視,人們一直認為具有尖銳棱角的橋梁斷面中三分力系數雷諾數效應可以忽略不計。Larsen與Schewe在壓力風洞中測量了GreatBeltEastBridge引橋斷面三分力系數,他們發現雷諾數Re=7×104的阻力系數比雷諾數Re=3×106的阻力系數大14%,而許志豪等測量了香港的Stonecutters橋三分力系數,發現該橋在零度攻角阻力系數隨雷諾數增加而增加。因此三分力系數的雷諾數效應研究對提高抗風分析有著重要的意義。雷諾數大小對斷面表面壓力分布,壓力系數有較大影響。雷諾數對三分力系數的影響尤其是對阻力系數影響,與表面壓力系數隨雷諾數變化有一定的相關性。本文在雷諾數范圍Re=8×103～3×105內測量了不同寬高比兩類典型橋梁斷面的三分力、表面壓力,研究了三分力系數、表面壓力系數隨雷諾數變化規律,并研究了寬高比對三分力系數、表面壓力系數雷諾數效應的影響。1試驗模型和試驗風速試驗在TJ-2風洞中進行,風洞試驗段長15m、寬3m、高2.5m。空風洞最高風速為68m/s,湍流度ε<0.008。測力用的是TJ-2風洞的汽車天平測力系統,該測力系統由浮框式六分量應變天平、應變放大器、A/D轉換器和微機組成。該天平阻力方向最大量程為100kg,升力方向為±60kg,升力矩±10kg·m。試驗模型有近流線型和Π型斷面兩類,每類模型有4個寬高比。模型骨架由型鋼制作,外衣為優質三合板,三合板外用即時貼包裹,以便降低表面的粗糙度。模型的跨中斷面設置測壓孔,該斷面由有機玻璃制作。圖1為模型在風洞中安裝示意圖。近流線型模型的梁高為100mm,Π型斷面梁高為86mm、。試驗風速變化范圍為5m/s～50m/s。測壓點距上游A點的距離用無量綱距離表達,其定義如下:測壓點(如點1)距最上游點A實際距離為dist,點A沿著模型表面到最下游點B距離為Dtotal(如圖2),測點的無量綱距離為:DD=distDtotalDD=distDtotal2試驗結果2.1不同高配比近高效曲線斷面模型圖3(a)為寬高比為12∶1近流線型橋梁斷面模型的阻力系數(CD)雷諾數效應曲線。在低雷諾數區Re<6×104),CD減小幅度比高雷諾數區緩慢。越過Re=1×105后,阻力系數下降的速度明顯加快。在保證下降曲線光滑的前提下,以最保守的下降速率,將圖3(a)曲線延伸到雷諾數Re=8×106(實橋雷諾數),則不難發現低雷諾數(以梁高為特征尺寸,Re=4×104)節段模型風洞試驗時,將會導致橋梁斷面模型阻力系數CD測量值比實橋阻力系數CD可能大將近1倍。圖3(b)為不同寬高比近流線型斷面CD-Re變化曲線,隨著寬高比的增加,阻力系數變化的范圍拉大,且曲線的曲率增加。寬高比B/H=6時,阻力系數CD-Re變化平緩。4個模型表現出相同規律:高雷諾數區,阻力系數變化劇烈;低雷諾數區,阻力系數變化相對平緩;高雷諾數區,寬高比越大,阻力系數減小的速度越快。Π型斷面圖4(a)為寬高比B/H=12的Π型斷面模型阻力系數CD-Re變化曲線。Π型斷面的CD隨雷諾數Re增加而增加。Re>1×105,阻力系數變化平緩;Re<1×105時,阻力系數遞增明顯。這一變化規律表明:低雷諾數風洞試驗得到的數據用于橋梁抗風設計或抗風分析可能是不安全的。圖4(b)為不同寬高比Π型斷面CD-Re的曲線,阻力系數隨著寬高比的增加而增加,Re<1×104時,實驗室得到的阻力系數明顯偏小,當Re>1×105時,測得的阻力系數基本不變。2.2升力系數最小值近流線型斷面升力系數(CL)的雷諾數效應比阻力系數的雷諾數效應復雜得多。圖5(a)為寬高比B/H=12∶1近流線型斷面升力系數的雷諾數效應曲線。CL由Re=8×103時的CL=0.0一直減小,直到Re=2×105附近升力系數達到最小值(CL=-0.1),Re>2×105后,升力系數隨雷諾數增加而增加。圖5(b)為不同寬高比的近流線型模型升力系數對雷諾數Re的變化規律。寬高比B/H對升力系數達到最小值時對應的雷諾數沒有多大影響,除寬高比B/H=6的模型外,其他的升力系數隨雷諾數變化規律相似。寬高比B/H=6的模型升力系數幾乎不隨雷諾數增加而變化。由此推定,隨著寬高比的減小,流線型斷面逐漸表現出鈍體斷面的某些特性。圖6(a)為寬高比B/H=12Π型斷面的CL-Re曲線,Π型斷面升力系數變化比近流線型斷面小。圖6(b)為Π型斷面不同寬高比的模型升力系數CL—Re曲線。CL在試驗雷諾數范圍內變化較小,與近流線型斷面Re=2×105附近的明顯峰谷相比,變化明顯小得多。2.3.19—表面壓力系數雷諾數效應由圖7可知,近流線型橋梁斷面下表面壓力系數受雷諾數影響較大。雷諾數Re=2.7×105時下表面靠近下游風嘴處的壓力系數最小。越過最小值后,開始以同樣的速度增加,進入逆壓梯度區后,壓力迅速恢復。點DD=0.19以后,對應于下表面的109點,壓力恢復放緩,壓力繼續增加,直到DD=0.3,對應于下表面的點102,壓力增加結束,為第一逆壓梯度區,點102即為分離點。自該點直到DD=0.74(對應于下表面的點75),壓力保持不變,為背壓區(分離區)。雷諾數Re=1.5×105,在點75(DD=0.74)以后氣流出現再附。從點75(DD=0.74)到點88(DD=0.86)區域壓力減小,氣流加速,為第二加速區。其強度與范圍比第一加速區小。點88為第二最小壓力點,壓力系數值比第一最小壓力系數小。雷諾數對第二最小壓力系數影響比對第一最小壓力系數大。第二最小壓力點到下表面的最下游點DD=0.98(點82)為第二逆壓區。2.4保壓及增長率分析由8(a)可見,當Re>6×104,下表面的背壓系數對雷諾數變化的劇烈程度要遠遠大于上表面,但是在Re=2×105附近變化又變得平緩。同時Re<5×104時,上下表面的背壓系數相差不大,而Re>5×104后差值加大,下表面的背壓系數絕對值要比上表面的大。由8(b)可見,寬高比對背壓系數與雷諾數的關系影響較大,隨著寬高比的增加,雷諾數對背壓系數的影響越小,寬高比越小,壓差對升力系數變化貢獻越大。其中寬高比B/H=6模型的背壓系數隨雷諾數變化尤為劇烈。而雷諾數對Π型斷面背壓系數影響較近流線型斷面小,此不再詳述。3近流量表型斷面的型阻主要由壓差阻力、摩擦阻力構成,壓差阻力占型阻約90%以上。壓差阻力變化規律反映了型阻的變化趨勢。決定壓差阻力大小參數有:尾跡區壓力系數的大小、尾跡區范圍的大小、上游壓力系數的大小、尾跡區分離點位置。圖9為近流線型斷面尾跡區壓力系數隨雷諾數變化。由圖可見,雷諾數增加,下表面再附點前移,尾跡區壓力系數減小。Re=2.7×105時,壓力系數達最小,而Re=3.0×105、3.3×105時,壓力系數又開始回升。上表面壓力變化與下表面類似。由此可見,近流線型斷面阻力系數與尾跡區壓力系數變化具有同源性,因此可以認為:阻力系數隨雷諾數的變化規律是由于尾跡區壓力系數隨雷諾數變化結果。尾跡區壓力系數變化規律是阻力系數雷諾數效應的根本原因。4型斷面模型的阻力系數圖10(a)為流線型寬高比B/H=12斷面的阻力系數-雷諾數曲線,可見來流中引入湍流度明顯減小了阻力系數,而且湍流度越大,阻力系數越小。在Re=5×104附近,阻力系數下降的速度開始減小,并進入平臺區。在平臺區,三個湍流度測得的阻力系數相近,而此處湍流度對阻力系數的影響較小。由此可見,湍流度可以作為減緩雷諾數效應的有效措施之一。格柵的存在造成風洞阻塞度太大(最小的為24%),試驗風速很難提高,湍流場中模型的雷諾數范圍沒能與均勻流一致。圖10(b)為Π型斷面模型CD-Re曲線。來流的湍流度增加,Π型斷面模型在低雷諾數的阻力系數也增加,另外,Π型斷面模型阻力系數在低雷諾數區緩慢增加的趨勢被抑制,取而代之的是阻力系數近乎常數,使阻力系數提前達到穩定狀態。總之,湍流減小了近流線型斷面的阻力系數,但增加了Π型斷面模型的阻力系數。看來湍流作為控制這兩類斷面阻力系數雷諾數效應措施是有效的。5試驗結果分析(1)近流線型、Π型橋梁斷面,阻力系數的雷諾數效應非常顯著;流線型斷面阻力系數隨雷諾數增加而減小,Π型斷面阻力系數隨著雷諾數增加而增加。近流線型斷面的升力系數雷諾數效應顯著,Π型斷面的升力系數雷諾數效應不明顯。低雷諾數風洞試驗得到斷面阻力系數用于實橋斷面抗風設計、分析時需慎重。在抗風設計、分析中應考慮三分力系數的雷諾數效應。(2)寬高比對近流線型斷面阻力系數下降速度有一定的影響,寬高比越大阻力系數雷諾數效應顯著;寬高比對Π型斷面的阻力系數雷諾數效應影響小。寬高比對近流線型斷面升力系數雷諾數效應影響大,