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串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应

王世博 刘夕强 刘小兵

王世博, 刘夕强, 刘小兵. 串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
引用本文: 王世博, 刘夕强, 刘小兵. 串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
Shi-bo WANG, Xi-qiang LIU, Xiao-bing LIU. INTERFERENCE EFFECTS ON THE AVERAGE WIND PRESSURE AND AVERAGE DRAG FORCE IN TANDEM THREE CIRCULAR CYLINDERS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
Citation: Shi-bo WANG, Xi-qiang LIU, Xiao-bing LIU. INTERFERENCE EFFECTS ON THE AVERAGE WIND PRESSURE AND AVERAGE DRAG FORCE IN TANDEM THREE CIRCULAR CYLINDERS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004

串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
基金项目: 河北省自然科学基金项目(E2018210105);河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2019118);河北省大型基础设施防灾减灾协同创新中心资助项目
详细信息
    作者简介:

    王世博(1994−),男,河北人,硕士生,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: wangshibo137300@163.com)

    刘夕强(1991−),男,河北人,硕士生,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: liuxiqiang597@163.com)

    通讯作者: 刘小兵(1982−),男,湖南人,副教授,博士,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: x_b_liu@126.com)
  • 中图分类号: TU312.1

INTERFERENCE EFFECTS ON THE AVERAGE WIND PRESSURE AND AVERAGE DRAG FORCE IN TANDEM THREE CIRCULAR CYLINDERS

图(9)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-29
  • 修回日期:  2020-01-02
  • 网络出版日期:  2020-06-04
  • 刊出日期:  2020-06-01

串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
    基金项目:  河北省自然科学基金项目(E2018210105);河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2019118);河北省大型基础设施防灾减灾协同创新中心资助项目
    作者简介:

    王世博(1994−),男,河北人,硕士生,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: wangshibo137300@163.com)

    刘夕强(1991−),男,河北人,硕士生,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: liuxiqiang597@163.com)

    通讯作者: 刘小兵(1982−),男,湖南人,副教授,博士,主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail: x_b_liu@126.com)
  • 中图分类号: TU312.1

摘要: 为了给实际工程中串列三圆柱结构的风荷载取值提供参考,通过刚性模型测压风洞试验方法,测试了12个不同间距比L/D(L为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱的直径)下串列三圆柱的平均风压系数和平均阻力系数,并与单圆柱的平均风压系数和平均阻力系数进行了对比。研究结果表明:串列三圆柱存在临界间距,其临界间距比为3.0≤L/D≤3.5。三个圆柱的平均阻力均小于单圆柱的平均阻力;上游圆柱的平均阻力最大,下游圆柱的平均阻力次之,中游圆柱的平均阻力最小。

English Abstract

王世博, 刘夕强, 刘小兵. 串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
引用本文: 王世博, 刘夕强, 刘小兵. 串列三圆柱平均风压和平均阻力的干扰效应[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
Shi-bo WANG, Xi-qiang LIU, Xiao-bing LIU. INTERFERENCE EFFECTS ON THE AVERAGE WIND PRESSURE AND AVERAGE DRAG FORCE IN TANDEM THREE CIRCULAR CYLINDERS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
Citation: Shi-bo WANG, Xi-qiang LIU, Xiao-bing LIU. INTERFERENCE EFFECTS ON THE AVERAGE WIND PRESSURE AND AVERAGE DRAG FORCE IN TANDEM THREE CIRCULAR CYLINDERS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 261-264, 306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S004
  • 圆柱绕流作为一种典型的钝体绕流,普遍地存在于实际工程中,如桥墩、码头高桩、海底运输管线、海洋立管、海洋钻井平台等。圆柱绕流产生的气动特性直接关系到圆柱体的受力状态,不合理的设计会降低工程寿命甚至导致工程事故的发生。近年来,串列三圆柱结构逐渐增多,例如三管烟囱、深海立管等。由于干扰效应的影响,串列三圆柱结构的平均风压和平均阻力不同于单圆柱和串列双圆柱结构的平均风压和平均阻力。因此在对串列三圆柱结构进行抗风设计时,必须要考虑圆柱之间干扰效应的影响。由于过去串列三圆柱结构建设不多,圆柱绕流的研究主要针对单圆柱和双圆柱结构展开,规范中也主要给出了单圆柱和双圆柱结构的相关荷载取值,关于串列三圆柱结构的相关荷载取值,鲜见完善的条文或图表说明[12]。目前已有一些学者开展了串列三圆柱干扰效应的研究工作。Igarashi和Suzuki[3]通过风洞试验对特定间距下串列三圆柱的干扰效应进行了研究,给出了平均风压系数和平均阻力系数随间距比的变化曲线。Yu等[4]数值计算了不同间距下串列三圆柱的气动力系数,结果发现串列三圆柱存在临界间距。Dalton和Szabo[5]通过风洞试验的方法测试了串列三圆柱在少数几个不同间距比下的干扰效应,给出了平均阻力系数随间距比的变化曲线,证明了间距对于串列三圆柱的阻力系数有很大影响。

    综上所述,串列三圆柱干扰效应的影响参数主要是圆柱之间的间距。目前文献中给出的结果基本为一个或少量的几个间距时串列三圆柱的平均风压系数和平均阻力系数随间距比的变化曲线。为了确保串列三圆柱结构的抗风安全,十分有必要针对串列三圆柱,在更多间距下展开进一步的深入研究。

    本文针对串列三圆柱,基于刚性模型测压风洞试验的方法,研究了12个不同间距比下串列三圆柱平均风压和平均阻力随间距比的变化规律,并与单圆柱的平均风压和平均阻力进行了对比分析。

    • 本试验在石家庄铁道大学风工程研究中心风洞实验室进行。采用有机玻璃管制做了3个外形一致、表面光滑的圆柱模型。3个圆柱沿风向依次是上游圆柱、中游圆柱和下游圆柱,如图1所示。圆柱模型长为1.7 m,直径为120 mm,在距离中间测点位置470 mm处开一个小孔以方便压力扫描阀的放入及测压管的连接,试验时再将其封闭。在每个圆柱模型的中央位置布置一圈测点,如图2所示。为方便表示,采用圆周角θ来表示不同位置的测点,共36个测点,如图3所示。

      图  1  三圆柱模型横截面 /mm

      Figure 1.  Cross-section of three cylindrical models

      图  2  模型尺寸及测点位置 /mm

      Figure 2.  Model dimensions and positions of measuring points

      图  3  测点布置

      Figure 3.  Arrangement of measuring points

      为方便调节圆柱之间的距离,设计了如图4所示的试验装置。试验模型通过钢管和铁架与风洞试验段的上壁和下壁连接进行固定,并在三个圆柱上、下两侧安装两个端板,以消除模型的端部效应,保证流场的二元性[6]。试验风速为8 m/s,雷诺数为6.4×104,属于亚临界区[7]。试验共12个间距比L/D,分别为1.1、1.15、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5。

      图  4  试验模型侧视 /mm

      Figure 4.  Side view of test model

    • 图5给出了本试验单圆柱的平均风压系数曲线。从图5中可以看出,本试验单圆柱的平均风压系数曲线具有良好的对称性,而且与文献[8]、文献[9]、文献[10]的平均风压系数符合较好。以上两点说明了本试验是可靠的。

      图  5  本试验单圆柱平均风压系数与已有研究的对比

      Figure 5.  Comparison of average wind pressure coefficient of a single circular cylinder in current test with previous studies

    • 图6为串列三圆柱上游圆柱的平均风压系数曲线。从图6中可以看出,相对于单圆柱而言,上游圆柱的背压较高,且最小值点略微提前。当L/D=1.2时,背压曲线在180°处向上有明显的凸起。当L/D=1.15和1.1时,背压曲线在150°~210°之间,局部形成一条反W曲线。

      图  6  不同间距比上游圆柱的平均风压系数曲线

      Figure 6.  Variation of average wind pressure coefficient of upstream circular cylinder with different spacing ratios

      当1.4≤L/D≤3.0时,上游圆柱的背压曲线比较平缓,随间距比的增大而逐渐增大。当L/D=3.0时,背压最大,说明此间距下上游圆柱受到了较大的干扰。当L/D≥3.5时,随着间距比的增大,上游圆柱风压系数曲线逐渐向单圆柱靠近。

      图7为串列三圆柱中游圆柱的平均风压系数曲线。从图7中可以看出,中游圆柱的风压分布受到了强烈的干扰。当1.1≤L/D≤1.2时,风压系数曲线存在对称的峰值和谷值,这里取其一半分析。其中位于65°~85°的峰值,是由上游圆柱的剪切层再附于中游圆柱造成的;位于25°~45°的谷值,是由再附于中游圆柱的向前的剪切层分离造成的;位于95°~105°的谷值,是由再附于中游圆柱的向后的剪切层分离造成的。值得注意的是,当L/D=1.1时,风压系数曲线在180°附近出现了一个明显的谷值。当1.4≤L/D≤3.0时,风压系数曲线出现两个对称的峰值,且中游前缘的平均风压系数与上游圆柱后缘的平均风压系数基本相同。这说明此时上游与中游圆柱间的间隙内几乎没有气体流动。当L/D≥3.5时,平均风压系数曲线呈现出一个W形状,最小值点前移,并逐渐向单圆柱靠近。

      图  7  不同间距比中游圆柱的平均风压系数曲线

      Figure 7.  Variation of average wind pressure coefficient of midstream circular cylinders with different spacing ratios

      图8为串列三圆柱下游圆柱的平均风压系数曲线。从图8中可以看出,当1.1≤L/D≤2.0时,下游圆柱的平均风压系数曲线出现了两个对称的峰值。下游圆柱前缘的平均风压系数与中游圆柱后缘的平均风压系数基本相同,说明此时中游圆柱与下游圆柱的间隙内基本没有气体流动。当2.5≤L/D≤4.5时,风压分布曲线呈现为W形状。当3.0≤L/D≤3.5时,背压出现了巨大的跃升。

      图  8  不同间距比下游圆柱的平均风压系数曲线

      Figure 8.  Variation of average wind pressure coefficient of downstream circular cylinders with different spacing ratios

    • 图9为串列三圆柱上、中、下游圆柱的平均阻力系数随间距比的变化曲线。从图9中可以看出,上游、中游和下游圆柱的平均阻力系数均小于单圆柱的平均阻力系数。上游圆柱的平均阻力系数最大,下游圆柱的平均阻力系数次之,中游圆柱的平均阻力系数最小。

      图  9  平均阻力系数随间距比的变化曲线

      Figure 9.  Variation of average drag force coefficient withspacing ratios

      当3.0≤L/D≤3.5时,上游圆柱的平均阻力系数出现跃升,背压出现了较大的下降,说明平均阻力系数的跃升主要是由上游圆柱流场形态的变化造成的。在临界间距比之前,上游圆柱的平均阻力系数随着间距比的增大先增大后减小,在L/D=1.6时,达到最大值,为1.069。在临界间距比之后,上游圆柱的平均阻力系数接近于单圆柱的平均阻力系数。中游圆柱的平均阻力系数随间距比的增大而增大,最大值为0.235,最小值为−0.476,且在1.1≤L/D≤2.5时出现负阻力系数。下游圆柱的平均阻力系数随着间距比的增大,呈现出先增大后减小的趋势,其最大值为0.614。

    • (1)串列三圆柱存在临界间距,其临界间距比为3.0≤L/D≤3.5。在间距比L/D由3.0变换为3.5时,上游、中游、下游圆柱的平均风压和平均阻力均出现较大变化,这可能是由流场转变造成的。

      (2)上游、中游和下游圆柱的平均阻力均小于单圆柱的平均阻力。上游圆柱的平均阻力最大,下游圆柱的平均阻力次之,中游圆柱的平均阻力最小。

参考文献 (10)

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