H形截面结构非线性自激气动力及驰振特性研究

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钝体的自激气动力表现出很明显的非线性,且其易引发横风向和扭转驰振。本文着重利用试验研究三种长宽比H形截面模型的驰振特性以及利用CFD研究其非线性自激气动力特性,提出了有风攻角的驰振计算方法和驰振的能量分析方法,并且利用能量方法解释了单自由度扭转自激振动试验中所观察到的现象。本文的主要工作包括:1、利用CFD探究了H形截面非线性自激气动力的特征。发现:涡激力有可能会被某阶自激气动力所“捕获”,而导致此阶自激气动力振幅突然增大;非线性自激气动力的振幅随着风速的增大有逐渐增大的趋势,而初相位角随着风速的增大并未表现出明显的规律。2、推导了有风攻角的横风向驰振计算方法,包括临界风速计算和振幅计算。关于临界风速,以方柱、正三角形柱和H形柱为例,发现在较小的风攻角之下本文计算方法和Den-Hartog公式很接近,而在较大的风攻角之下两者相差较大;关于振幅,以H形截面模型为例,发现理论计算和试验非常接近,证实了本文计算方法的正确性。3、自主研制了单自由度扭转自激振动试验设备,利用该设备开展了H形柱扭转自激振动试验。发现长宽比为4.72:1和2.5:1的H形截面模型在一定的风速之下需要足够的初始扰动才能发生驰振,除此之外,还发现长宽比为2.5:1的H形截面模型在一定的风速之下会出现一个风速对应两个振幅的情况。4、利用能量方法探究了H形截面模型的驰振发散机理,解释了扭转自由振动试验中的现象,并且认为长宽比为4.72:1的模型在一定的风速之下需要足够的初始扰动才能发生驰振的原因是在较小的振幅下模型后缘的自激气动力所做负功过大,而导致总体做功为负。
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