基于動冰力識別的流冰-橋梁動力耦合振動研究

我國北部省份大部分地區(qū)都存在嚴(yán)重的冰情，春季開河后形成的巨大流動冰排嚴(yán)重威脅著水中的橋梁結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目通過理論與試驗(yàn)研究，對流冰排與橋梁的相互作用問題展開研究，采用實(shí)測與數(shù)值仿真的方法，建立了各種橋墩的典型動冰力時程曲線。數(shù)值模擬了冰在橋墩前的破毀過程及橋梁動力響應(yīng)，給出了橋梁受流冰碰撞震動的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，對其安全性做出了評價，同時對于我國橋梁設(shè)計規(guī)范流冰力的計算給出了建議和評價。主要研究成果如下： 1．冰的物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究 通過大量的試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了松花江內(nèi)河河冰的單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度等指標(biāo)，得到了這些指標(biāo)隨溫度、加載速率的變化規(guī)律。研究表明，在加載速率在1E-3時冰的強(qiáng)度達(dá)到最大，當(dāng)加載速率在1E-3至3E-3范圍內(nèi)，測試表現(xiàn)出韌脆雙重特征，當(dāng)加載速率超過3E-3時，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，試件發(fā)生辟裂破壞。河冰彎曲強(qiáng)度要小于軸壓強(qiáng)度。各項(xiàng)指標(biāo)均有隨溫度降低而增大的趨勢。 2．流冰撞擊力及動冰力的實(shí)測與數(shù)值仿真研究 采用LS-DYNA分析平臺，仿真分析了不同流速、不同厚度的冰排與不同形狀的橋墩的碰撞破壞過程，得到了各類橋墩的典型動冰力時程曲線。并將曲線峰值與我國橋梁設(shè)計規(guī)范計算的最大冰壓力值進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在相同參數(shù)下，規(guī)范公式計算的最大冰壓力大于碰撞仿真結(jié)果，約大20%左右。說明我國規(guī)范在冰壓力計算方面是偏于保守的。對破冰體參數(shù)的分析中，認(rèn)為當(dāng)破冰體角度在120度時最有效，碰撞力最小，不必將破冰體做成銳角。 采用動冰壓力傳感器，對黑龍江富綏松花江大橋的流冰碰撞問題進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，得到了真實(shí)的碰撞力時程曲線，為我國冰排研究積累了原始數(shù)據(jù)，可以作為橋梁動冰力分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 3．流冰-橋梁相互作用及冰振反應(yīng)分析研究 采用非線性時程分析方法，基于得到的動冰力時程曲線，分析了哈爾濱松花江大橋以及哈爾濱松浦大橋兩座典型大型橋梁的冰振反應(yīng)，評價了橋梁震動狀況，評估了橋梁安全。 項(xiàng)目完成了預(yù)期研究任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)。 2100433B

我國北部省份大部分地區(qū)都存在嚴(yán)重的冰情，尤其東北、西北地區(qū)。春季開河后形成的巨大流動冰排嚴(yán)重威脅著水中的橋梁結(jié)構(gòu)。隨著大型橋梁工程的建設(shè)，此問題愈發(fā)突出。而目前我國冰對橋梁的作用研究甚少，設(shè)計規(guī)范參照原蘇聯(lián)規(guī)范，只給出了靜冰壓力的計算方法，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。本項(xiàng)目通過理論與試驗(yàn)研究，對流冰排與橋梁的相互作用問題展開研究，采用實(shí)測與動冰力識別的方法，利用隨機(jī)和數(shù)理統(tǒng)計理論，試圖建立動冰力荷載譜和典型冰力時程曲線。在此基礎(chǔ)上參考橋梁地震反應(yīng)分析的思路，建立起橋梁-冰振反應(yīng)分析方法。同時，項(xiàng)目采用非連續(xù)變形理論對冰與橋梁的相互作用機(jī)理展開研究，數(shù)值模擬冰在橋墩前的破毀過程及橋梁動力響應(yīng)。冰-橋振動考慮其間的耦合效應(yīng)。以此研究，為我國把橋梁結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計從靜力設(shè)計水平提高到動力設(shè)計水平提供理論基礎(chǔ)，降低橋梁冰害的風(fēng)險。

離心泵在非設(shè)計工況運(yùn)行時，內(nèi)部流動呈現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性，非穩(wěn)定的流固耦合作用將導(dǎo)致泵的強(qiáng)烈振動，是影響泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)問題。由于流固耦合多學(xué)科交叉的復(fù)雜性，對離心泵偏工況不穩(wěn)定流動作用下流固耦合機(jī)制的認(rèn)識尚屬空白。本項(xiàng)目將基于動邊界LES方法對離心泵非穩(wěn)定流固耦合及振動特性開展研究。采用LES方法對離心泵偏工況不穩(wěn)定流場進(jìn)行精確數(shù)值模擬，揭示流態(tài)及壓力脈動特性，掌握不穩(wěn)定流動激勵頻率特性；建立動邊界LES非穩(wěn)定流固強(qiáng)耦合預(yù)測模型，解決耦合計算的精度、穩(wěn)定性、收斂性及計算效率等瓶頸問題；采用電渦量振動測量系統(tǒng)開展水力振動試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)對LES層面流固耦合計算的驗(yàn)證；采用基于小波變換的時頻域聯(lián)合分析，揭示非穩(wěn)定流固耦合規(guī)律及振動特性；研究水力部件主要幾何參數(shù)與流固耦合作用間的關(guān)系，初步提出離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動控制方法。本項(xiàng)目對提高離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的學(xué)術(shù)和工程價值。

非穩(wěn)定的流固耦合作用易導(dǎo)致泵的強(qiáng)烈振動，影響泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目對離心泵偏工況運(yùn)行區(qū)域全流道內(nèi)部復(fù)雜流動進(jìn)行了精確的DES（LES/RANS混合湍流模型）數(shù)值模擬，采用統(tǒng)計法和快速傅立葉變換方法全面地分析了由動靜干涉引起的壓力脈動特性，獲得了壓力脈動強(qiáng)度分布特性和壓力脈動頻域特性，掌握了不穩(wěn)定流動激勵頻率特性。建立了動邊界法的非穩(wěn)定流固強(qiáng)耦合預(yù)測方法，研究了離心泵極端工況下的流固耦合作用，獲得了離心泵在啟動過程的高溫高壓動力學(xué)特性，同時也建立了在有無空化條件下的離心泵流固強(qiáng)耦合高精度、高可靠性數(shù)值預(yù)測方法，獲得了泵內(nèi)非定常流固耦合作用下內(nèi)流與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。搭建了離心泵外特性、壓力脈動和振動測量的開式試驗(yàn)臺，應(yīng)用動態(tài)壓力傳感器、加速度傳感器采集離心泵不穩(wěn)定流動狀態(tài)及空化發(fā)展過程中泵進(jìn)出口處壓力脈動信號和蝸殼壁面上的不同測點(diǎn)振動信號，揭示了離心泵不穩(wěn)定流動作用下的非定常流固耦合機(jī)理。對比分析了水力部件不同結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系，為有效地控制離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動提供了解決方法。本項(xiàng)目的研究對離心泵非穩(wěn)定流動的流固耦合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，準(zhǔn)確獲得泵內(nèi)部壓力脈動和流體結(jié)構(gòu)的流固耦合特性，具有重要的理論與學(xué)術(shù)價值，同時在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有借鑒意義。 發(fā)表項(xiàng)目號標(biāo)注論文23篇，其中SCI論文檢索13篇，EI論文檢索7篇。出版學(xué)術(shù)專著2本。申請發(fā)明專利19項(xiàng)，其中發(fā)明專利授權(quán)14項(xiàng)，發(fā)明專利受理5項(xiàng)。申請軟件著作權(quán)1件。獲省部級科技進(jìn)步二等獎4項(xiàng)，三等獎2項(xiàng)，獲鎮(zhèn)江市政府論文專著特等獎，獲亞洲流體機(jī)械青年科學(xué)家獎。舉辦國際學(xué)術(shù)會議3次，參會人數(shù)超過1000人。受邀國際學(xué)術(shù)會議大會報告2次，國內(nèi)學(xué)術(shù)會議大會報告1次。參加國際學(xué)術(shù)會議12人次。培養(yǎng)博士研究生7名，畢業(yè)4名，在讀3名，培養(yǎng)碩士研究生12名，畢業(yè)8名，在讀4名。超額完成項(xiàng)目指標(biāo)。

我國建設(shè)的深水橋梁多處于地震多發(fā)區(qū)，地震作用下深水橋梁墩-水耦合振動的研究很少，相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范不完善，急需在該方面展開深入研究。本項(xiàng)目在前期研究的基礎(chǔ)上，基于輻射波浪理論，推導(dǎo)多邊形、圓端形、橢圓形橋墩附加動水壓力半解析解計算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical對復(fù)雜幾何形狀橋墩附加動水壓力進(jìn)行數(shù)值計算。并在此基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有計算程序進(jìn)行二次開發(fā)，研制專門針對墩-水耦合附加動水壓力數(shù)值計算的軟件，并采用該軟件對附加動水壓力的影響因素，如自由表面重力波等進(jìn)行分析。利用分析結(jié)果，并參考各國附加動水壓力的相關(guān)規(guī)范，對規(guī)則幾何形狀橋墩附加動水壓力半解析計算方法進(jìn)行簡化，提出適用于工程的合理、高效的簡便計算方法。該方面的研究將進(jìn)一步完善墩-水耦合振動理論，并對我國橋梁抗震設(shè)計、橋梁抗震規(guī)范的制定具有重要的參考價值。