1.6 主要研究内容

本书的主要工作是从能量的角度出发首先研究二维两自由度桥梁断面颤振过程中能量在扭转自由度和竖向自由度之间的传递和反馈及系统能量变化情况与颤振稳定的关系。研究在一个振动周期内气动力输入能量与结构振动能量、空气阻尼能量之间的转化关系。然后通过PIV试验研究典型桥梁断面固定和振动状态下的绕流特征，解释结构周期性气动力与周围流场规律运动的旋涡之间的关系。采用CFD技术计算了固定断面和振动断面的周围流场和模型表面压力分布特点，并将流场计算结果与PIV试验结果进行对比，以验证数值计算的合理性。采用POD分解技术对CFD计算所获得的振动断面表面压力进行特征值分解，得出表面压力模态特征函数，根据特征函数分布特点对振动断面进行分区，采用分块分析的思想研究在颤振发生过程中，典型断面不同部位的气动力做功特点，分析引起断面发散的主要能量来源。为了建立宏观和细观两个层次上的联系推导了采用压力形式来描述的气动导数表达式，采用曲线拟合的方式对振动状态下模型表面任意点的波动压力进行拟合，获得曲线拟合系数，然后建立了气动导数与拟合系数的联系，同时也分析了拟合系数与POD分解的模态特征函数的关系，利用拟合系数联系了气动导数和POD及分块分析的运算结果，由此将宏观和细观层次上的颤振机理的解释联系起来。各章节安排如下：

第1章简要回顾了桥梁颤振机理的研究现状、研究手段及取得的进展。着重论述了桥梁颤振能量机理研究的状况及粒子图像测速技术的发展及应用。针对目前颤振机理研究状况相对滞后的情况，从能量角度出发在宏观和细观两个层面上建立了颤振能量转换分析方法思路和技术路线。

第2章从宏观层次上建立耦合颤振能量转换分析框架。从二维两自由度耦合颤振分析方法入手，设定了考虑阻尼影响的竖向和扭转振动方程的最一般形式，竖向和扭转振动方程不再采用颤振临界状态时的等幅正弦振动的形式。同时考虑到颤振过程中竖向系统和扭转系统的相互耦合作用，竖向振动和扭转振动的方程中都同时包含竖向运动频率成分和扭转运动频率成分，也不再采用仅以颤振扭转频率来表达的运动方程形式，采用分步分析方法的思想确定了竖向和扭转振动方程中由于自由度之间的激励-反馈机制产生的相互耦合作用对运动方程的影响。建立耦合颤振能量控制方程后，根据确定的振动方程形式来分析一个振动周期内系统内各气动力、机械阻尼、弹性力、惯性力做功情况及能量在扭转自由度和竖向自由度之间的传递和反馈，计算能量在不同自由度上的分配。根据系统能量变化情况建立颤振能量稳定条件，分析引起桥梁断面颤振的主要能量来源、能量输入方式及影响输入能量大小的主要因素。

第3章为平板断面颤振过程能量转换的宏观机理。根据第2章建立的颤振能量分析方法编制计算程序，并结合风洞试验结果，详细分析了平板断面颤振过程的能量分配及传递关系.具体研究了平板断面在颤振过程中系统内部各种作用力一个周期内做功情况，分析影响能量输入到振动系统的主要因素，包括相位关系及气动导数，并从能量的角度解释了耦合颤振的机理。同平板类似，本章利用第2章建立的颤振能量转换宏观机理的分析方法，对比研究了两种桥梁断面——箱梁和H形断面颤振发生过程中扭转振动和竖向振动的能量转换特点以及气流输入到振动系统能量随风速的变化关系，最后从能量的角度说明了这两种断面的颤振机理。

第4章为细观层次上以CFD和PIV为研究手段建立颤振过程能量转换分析框架。应用PIV流场测试技术研究典型断面固定状态和振动状态下的流场特征，分析结构周期性振动与流场旋涡规律性运动之间的关系。为弥补PIV试验无法获得压力场的缺憾，采用CFD数值模拟作为补充研究手段。利用流体计算软件——Fluent的动态网格技术并对其进行二次开发来模拟断面颤振，获取模型表面压力分布和流场特征，并将数值模拟的流场结果与PIV试验结果进行比较，用以验证CFD的计算结果的合理性。采用POD分解技术对CFD计算所获得的振动断面表面压力进行特征值分解，研究断面颤振时刻表面压力的分布特点，得出表面压力模态特征函数，根据特征函数分布特点对振动断面进行合理的分区，采用分块分析的思想研究在颤振发生过程中，典型断面不同部位的气动力做功特点，分析引起断面发散的主要能量来源。由于在计算过程中是通过提取断面不同部位的气动力时程和位移时程来计算各部分气动力做功的情况，因此可以考虑断面运动不同时刻气动力的大小和方向都是变化的情况，使数值模拟更加符合实际情况。根据上述思路建立细观层次的颤振能量转换分析框架。

为了建立宏观和细观层次的联系，推导了采用模型表面波动压力来描述的气动导数的表达式，确定了用于拟合振动模型表面任意点的波动压力的曲线形式，并分析了曲线拟合的系数与气动导数及POD模态特征函数之间的联系。

在该章节中还简要介绍了PIV流场测试技术。首先简单介绍PIV试验设备情况及流场测试方法，然后着重介绍了PIV试验结果的后处理方法及原理，并根据计算方法编制后处理程序。

第5章为典型桥梁断面固定状态下的细观流态特征。结合PIV试验和CFD计算两种方法，详细分析了固定状态下平板、箱梁以及H形断面3种断面绕流特征。并将试验结果与CFD计算结果进行了对比验证，确定了适合不同断面的数值计算的湍流模型，为振动断面的数值计算模拟提供了依据。

第6章为平板断面颤振能量转换细观机理。根据第4章建立的理论分析方法，对平板断面进行PIV测振试验，试验结果采用相位平均的处理方法。采用CFD技术模拟断面颤振获得模型表面压力分布和流场特征，并将流场计算结果与PIV试验结果进行比较。采用POD分解技术研究平板颤振时刻表面压力的分布特点，根据POD分解获得的模型表面压力模态特征函数的分布特点，对模型表面进行合理分区，采用分块分析的思想研究在颤振发生过程中，断面不同部位的气动力做功特点，分析引起断面发散的主要能量来源，从宏观和细观的联系上对颤振细观机理进行了分析。

第7章为箱梁和H形断面颤振能量转换细观机理。同第6章类似，本章采用第4章建立的颤振过程能量转换的细观分析方法，对比研究了驱动箱梁和H形断面颤振的细观流场机制，并采用POD技术分析了模型处于振动和静止状态时模型表面波动压力的分布特点，利用分块分析思路研究了气流输入到振动系统的能量特点。根据本书建立的颤振过程能量转换宏观机理和细观机理的关系，对这两种断面颤振机理进行了细观层次的解释。

第8章为结论与展望。总结了全书研究成果，并对需要继续研究的问题进行了展望。