1.6 主要研究內容

本書的主要工作是從能量的角度出發首先研究二維兩自由度橋梁斷面顫振過程中能量在扭轉自由度和豎向自由度之間的傳遞和反饋及系統能量變化情況與顫振穩定的關系。研究在一個振動周期內氣動力輸入能量與結構振動能量、空氣阻尼能量之間的轉化關系。然后通過PIV試驗研究典型橋梁斷面固定和振動狀態下的繞流特征，解釋結構周期性氣動力與周圍流場規律運動的旋渦之間的關系。采用CFD技術計算了固定斷面和振動斷面的周圍流場和模型表面壓力分布特點，并將流場計算結果與PIV試驗結果進行對比，以驗證數值計算的合理性。采用POD分解技術對CFD計算所獲得的振動斷面表面壓力進行特征值分解，得出表面壓力模態特征函數，根據特征函數分布特點對振動斷面進行分區，采用分塊分析的思想研究在顫振發生過程中，典型斷面不同部位的氣動力做功特點，分析引起斷面發散的主要能量來源。為了建立宏觀和細觀兩個層次上的聯系推導了采用壓力形式來描述的氣動導數表達式，采用曲線擬合的方式對振動狀態下模型表面任意點的波動壓力進行擬合，獲得曲線擬合系數，然后建立了氣動導數與擬合系數的聯系，同時也分析了擬合系數與POD分解的模態特征函數的關系，利用擬合系數聯系了氣動導數和POD及分塊分析的運算結果，由此將宏觀和細觀層次上的顫振機理的解釋聯系起來。各章節安排如下：

第1章簡要回顧了橋梁顫振機理的研究現狀、研究手段及取得的進展。著重論述了橋梁顫振能量機理研究的狀況及粒子圖像測速技術的發展及應用。針對目前顫振機理研究狀況相對滯后的情況，從能量角度出發在宏觀和細觀兩個層面上建立了顫振能量轉換分析方法思路和技術路線。

第2章從宏觀層次上建立耦合顫振能量轉換分析框架。從二維兩自由度耦合顫振分析方法入手，設定了考慮阻尼影響的豎向和扭轉振動方程的最一般形式，豎向和扭轉振動方程不再采用顫振臨界狀態時的等幅正弦振動的形式。同時考慮到顫振過程中豎向系統和扭轉系統的相互耦合作用，豎向振動和扭轉振動的方程中都同時包含豎向運動頻率成分和扭轉運動頻率成分，也不再采用僅以顫振扭轉頻率來表達的運動方程形式，采用分步分析方法的思想確定了豎向和扭轉振動方程中由于自由度之間的激勵-反饋機制產生的相互耦合作用對運動方程的影響。建立耦合顫振能量控制方程后，根據確定的振動方程形式來分析一個振動周期內系統內各氣動力、機械阻尼、彈性力、慣性力做功情況及能量在扭轉自由度和豎向自由度之間的傳遞和反饋，計算能量在不同自由度上的分配。根據系統能量變化情況建立顫振能量穩定條件，分析引起橋梁斷面顫振的主要能量來源、能量輸入方式及影響輸入能量大小的主要因素。

第3章為平板斷面顫振過程能量轉換的宏觀機理。根據第2章建立的顫振能量分析方法編制計算程序，并結合風洞試驗結果，詳細分析了平板斷面顫振過程的能量分配及傳遞關系.具體研究了平板斷面在顫振過程中系統內部各種作用力一個周期內做功情況，分析影響能量輸入到振動系統的主要因素，包括相位關系及氣動導數，并從能量的角度解釋了耦合顫振的機理。同平板類似，本章利用第2章建立的顫振能量轉換宏觀機理的分析方法，對比研究了兩種橋梁斷面——箱梁和H形斷面顫振發生過程中扭轉振動和豎向振動的能量轉換特點以及氣流輸入到振動系統能量隨風速的變化關系，最后從能量的角度說明了這兩種斷面的顫振機理。

第4章為細觀層次上以CFD和PIV為研究手段建立顫振過程能量轉換分析框架。應用PIV流場測試技術研究典型斷面固定狀態和振動狀態下的流場特征，分析結構周期性振動與流場旋渦規律性運動之間的關系。為彌補PIV試驗無法獲得壓力場的缺憾，采用CFD數值模擬作為補充研究手段。利用流體計算軟件——Fluent的動態網格技術并對其進行二次開發來模擬斷面顫振，獲取模型表面壓力分布和流場特征，并將數值模擬的流場結果與PIV試驗結果進行比較，用以驗證CFD的計算結果的合理性。采用POD分解技術對CFD計算所獲得的振動斷面表面壓力進行特征值分解，研究斷面顫振時刻表面壓力的分布特點，得出表面壓力模態特征函數，根據特征函數分布特點對振動斷面進行合理的分區，采用分塊分析的思想研究在顫振發生過程中，典型斷面不同部位的氣動力做功特點，分析引起斷面發散的主要能量來源。由于在計算過程中是通過提取斷面不同部位的氣動力時程和位移時程來計算各部分氣動力做功的情況，因此可以考慮斷面運動不同時刻氣動力的大小和方向都是變化的情況，使數值模擬更加符合實際情況。根據上述思路建立細觀層次的顫振能量轉換分析框架。

為了建立宏觀和細觀層次的聯系，推導了采用模型表面波動壓力來描述的氣動導數的表達式，確定了用于擬合振動模型表面任意點的波動壓力的曲線形式，并分析了曲線擬合的系數與氣動導數及POD模態特征函數之間的聯系。

在該章節中還簡要介紹了PIV流場測試技術。首先簡單介紹PIV試驗設備情況及流場測試方法，然后著重介紹了PIV試驗結果的后處理方法及原理，并根據計算方法編制后處理程序。

第5章為典型橋梁斷面固定狀態下的細觀流態特征。結合PIV試驗和CFD計算兩種方法，詳細分析了固定狀態下平板、箱梁以及H形斷面3種斷面繞流特征。并將試驗結果與CFD計算結果進行了對比驗證，確定了適合不同斷面的數值計算的湍流模型，為振動斷面的數值計算模擬提供了依據。

第6章為平板斷面顫振能量轉換細觀機理。根據第4章建立的理論分析方法，對平板斷面進行PIV測振試驗，試驗結果采用相位平均的處理方法。采用CFD技術模擬斷面顫振獲得模型表面壓力分布和流場特征，并將流場計算結果與PIV試驗結果進行比較。采用POD分解技術研究平板顫振時刻表面壓力的分布特點，根據POD分解獲得的模型表面壓力模態特征函數的分布特點，對模型表面進行合理分區，采用分塊分析的思想研究在顫振發生過程中，斷面不同部位的氣動力做功特點，分析引起斷面發散的主要能量來源，從宏觀和細觀的聯系上對顫振細觀機理進行了分析。

第7章為箱梁和H形斷面顫振能量轉換細觀機理。同第6章類似，本章采用第4章建立的顫振過程能量轉換的細觀分析方法，對比研究了驅動箱梁和H形斷面顫振的細觀流場機制，并采用POD技術分析了模型處于振動和靜止狀態時模型表面波動壓力的分布特點，利用分塊分析思路研究了氣流輸入到振動系統的能量特點。根據本書建立的顫振過程能量轉換宏觀機理和細觀機理的關系，對這兩種斷面顫振機理進行了細觀層次的解釋。

第8章為結論與展望。總結了全書研究成果，并對需要繼續研究的問題進行了展望。