粗糙度對路線形斷面雷諾數效應的影響

0對第三橋結構的影響在橋抗風研究中，三個單元是振動振動分析、振動穩定性分析、靜態振動負荷和穩定性分析的重要參數。三分力系數的取值直接影響橋梁抗風分析的精度。20世紀80年代,Schewe在壓力風洞中對圓柱的雷諾數進行研究,后來又對H型斷面與橋梁斷面進行研究,發現雷諾數效應在這些斷面中也不同程度的存在,但當時沒能引起足夠重視;最近,Schewe通過對機翼、圓柱和橋梁斷面(大海帶橋引橋)尾跡區形狀隨雷諾數變化的研究認為,雷諾數對三分力的影響體現在其對尾流形狀的影響;Barre等測量Normandi橋斷面的3個模型(縮尺分別為1∶10、1∶50、1∶100)三分力時發現,它們的三分力系數曲線不重合,歸結為雷諾數效應。目前,中國常采用的風洞均為低速風洞,低速風洞試驗中雷諾數Re相似條件難以滿足,從而使試驗值與實橋值之間存在雷諾數效應。因此,進行三分力系數的雷諾數效應抑制措施的研究對提高橋梁抗風分析有著重要的意義。為此,本文在雷諾數Re=6.0×103~1.4×105范圍內測量了寬高比為10∶1光滑表面及3種不同粗糙度流線型橋梁斷面的三分力和表面壓力,研究了三分力系數及壓力系數隨雷諾數的變化規律,并研究了表面粗糙度對雷諾數效應的影響。1模型創建和安裝試驗在長安大學CA-1風洞中進行,風洞試驗段長15m,寬3m,高2.5m;風速0~53m/s連續可調,均勻場紊流度小于0.3%。測力均采用的是桿式天平測力系統,該測力系統由2個五分力桿式應變天平、供橋直流穩壓電源數據采集和分析系統組成。試驗模型由兩側桿式天平水平支撐,天平的根部與迎角變換機構相連,以變換氣流攻角。該天平阻力方向最大量程為200N,升力方向為400N,升力矩為100N·m。試驗模型采用流線型斷面,寬高比為10∶1。模型骨架及外表均由優質木材制作,在模型表面粘貼即時膠模擬光滑表面,在表面粘貼不同標號的砂紙來模擬不同的粗糙度。本次試驗共采用3種不同粗糙程度的砂紙,標號分別是60目、100目和150目。在模型的1/2長度處設置測壓孔,孔間距為3cm,風嘴處間距為0.7cm,孔徑為1mm。模型在風洞中的安裝如圖1所示。流線型模型的梁高為60mm,試驗風速變化范圍為5~35m/s。2試驗結果2.1雷諾數對雷諾數的影響圖2為流線型斷面阻力系數(CD)的雷諾數效應曲線。從圖2可以看出:①阻力系數隨雷諾數的增加呈下降趨勢;②在低雷諾數區(Re<6.0×104),CD減小幅度比高雷諾數區緩慢,在Re=1.0×105小范圍內,阻力系數出現小波動,越過Re=1.0×105以后,阻力系數下降的速度明顯加快,即可以認為其進入臨界區。2.2升力系數升力系數圖3為流線型斷面升力系數(CL)的雷諾數效應曲線。從圖3可看出:①升力系數隨雷諾數的增加呈下降趨勢;②在低雷諾數區(Re<4.0×104),CL減小幅度比高雷諾數區緩慢,越過Re=4.0×104以后,升力系數出現回升,隨之繼續下降,并且下降速度明顯加快。2.3雷諾數re與cm的關系圖4(見下頁)為升力矩系數(CM)的雷諾數效應曲線。從圖4可以看出:雷諾數Re在1.0×104~1.4×105時,CM隨雷諾數Re呈先下降后上升的趨勢,并且上升速率明顯高于下降速率,但是其值的變化范圍不顯著。2.4測壓孔號碼圖5(見下頁)為模型表面測點的分布(圖中數字為測壓孔編號);圖6為不同雷諾數下的表面壓力分布。圖6中壓力系數的符號規定為:在斷面輪廓線以外為正,以內為負。2.4.1壓力系數cp由圖6可知,下表面從點68的壓力系數CP=0.45向下游逐漸減小,直到CP=0,可見在不同雷諾數下CP=0的位置不變,之后Cp繼續迅速減小,直至點57時,CP達到最小值。在不同雷諾數下點57的壓力都達到最小值,但是該點的壓力值卻隨著雷諾數的增加而減小,從點68開始,直到點57處,壓力一直是減小的。在點57后,壓力迅速回升。點56以后壓力恢復變緩,壓力繼續增加,直到點53,壓力增加結束。自點53到點43,同一雷諾數下壓力保持不變,但其壓力系數隨雷諾數的增大而增大。從點43到點41區域壓力減小,氣流加速,但比迎風面的壓力變化小,由此表明,該區氣流有微弱再附。2.4.2不穩定區域內壓力分布由圖6可知,上表面壓力系數CP=0出現的位置比下表面出現的位置要早,并且此位置比下表面對雷諾數敏感,隨雷諾數增加此位置向下游推移,同時最小壓力系數出現位置也比下表面最小壓力系數出現位置靠前,其絕對值也比下表面小得多。在點21處壓力開始緩慢減小,最終維持在-0.2水平上,沒有明顯突變。由此可見,上表面的壓力分布與下表面壓力特性有明顯的不同。總之,由流線型斷面表面壓力分布可以得出,雷諾數對表面壓力分布影響體現在:對上下表面的最小壓力系數、背壓系數大小的影響;對零壓力出現的位置、分離后壓力系數大小的影響;對背壓區范圍的影響。2.5低雷諾數區的脈動壓力圖7(見下頁)為不同雷諾數下的表面脈動壓力分布。從圖7可以看出:①脈動壓力系數沿表面的分布比壓力系數簡單得多;②沿表面分布的脈動壓力隨雷諾數的增加而減小,且波動幅度也隨著雷諾數的增加而減小;③在低雷諾數區(Re≤4.0×104)時,脈動壓力系數最大值分別在上下表面的點8和點56,隨雷諾數增大,Re=1.0×105時,最大值分別出現在點7和點57,即雷諾數增加,脈動壓力系數的最大值向上游移動;④雷諾數Re≥1.0×105以后,脈動壓力對雷諾數不敏感,而且在整個表面上,脈動壓力系數趨于相同。3改變試驗模型在裸梁模型表面包裹砂紙,模擬粗糙表面,通過改變包裹不同型號砂紙來改變試驗模型的表面粗糙度。本文試驗共采用3種型號的砂紙,標號分別是60目、100目和150目(記為R1、R2和R3,分別對應圖中粗糙1、粗糙2和粗糙3),隨著砂紙標號的增加粗糙度逐漸降低。3.1cd-re臨界區的粗糙度對摩擦學性能的影響圖8(見下頁)為粗糙度對阻力系數(CD)的雷諾數效應曲線。從圖8可見:①引入粗糙表面,減小了CD-Re曲線的波動,減緩了CD-Re雷諾數曲線驟變的趨勢;②在低雷諾數區提高表面粗糙度,放大了阻力系數;③在Re=5.0×104附近,3個粗糙度測得的阻力系數相近,即粗糙度對阻力系數的影響較小;④粗糙度的引入使得CD-Re曲線從亞臨界區進入臨界區較晚,即延長了亞臨界區域;⑤粗糙表面在Re>5.0×104后,CD-Re曲線的減小速率變緩,并且粗糙度越大,曲線的下降速率就越緩和;⑥粗糙程度越大,CD-Re曲線就越平穩。3.2粗糙度的影響圖9(見下頁)為粗糙度對升力系數(CL)的雷諾數效應曲線。從圖9可見:①粗糙表面的引入,減少了升力系數隨雷諾數的波動;②粗糙度對升力系數的影響要比阻力系數復雜;③升力系數與雷諾數的變化規律對粗糙度有一定的依賴性,粗糙度R1、R2沒有改變升力系數特性,僅使其對雷諾數的敏感性減小,但粗糙度R3卻使升力系數對雷諾數的關系與光滑表面相反;④因試驗條件所限,雷諾數僅達到Re=1.4×105,未將曲線向更高雷諾數區域延伸,也未進一步研究升力系數隨雷諾數的復雜變化。3.3升力系數隨雷諾數的變化雖然升力矩系數隨雷諾數變化的范圍不是很大,但為研究粗糙表面對雷諾數效應的影響,還是對其進行了研究。圖10為流線型橋梁斷面模型的升力矩系數(CM)的雷諾數效應曲線。從圖10可見:①粗糙度減小了升力矩系數;②粗糙度的引入,沒有改變升力矩系數隨雷諾數的變化規律;③升力矩系數對粗糙度較敏感,較之粗糙度R1、R3來說,R2使CM-Re曲線更加平穩,減小了升力矩系數的波動,R2是介于R1和R3之間的一種粗糙度,可見,合適的粗糙程度對升力矩系數隨雷諾數的波動具有更好的控制作用。4粗糙度、阻力和雷諾數之間的關系(1)流線型橋梁斷面,阻力系數和升力系數存在雷諾數效應;雷諾數對表面壓