Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методика исследований аэроупругих колебаний моделей сооружений 24
1.1. Критерии подобия при моделировании аэроупругих колебаний 24
1.2. Методика моделирования приземного слоя атмосферы 28
1.3. Описание моделей и экспериментального стенда 39
1.4. Методика проведения основных типов экспериментов 48
ГЛАВА 2. Исследования секционных моделей многобалочных сооружений 59
2.1.Осредненные аэродинамические характеристики моделей 59
2.2.Амплитудно-скоростные характеристики моделей 70
2.3. Пульсации давления на поверхности балок 92
2.4.Пульсации скорости в окрестности моделей 105
2.5. Пульсационные составляющие аэродинамических сил 125
2.6.Структуры течения в окрестности моделей 138
ГЛАВА 3. Исследования динамически подобных моделей реальных пролетных строений мостов 155
3.1. Описание конструкций исследуемых пролетных строений 155
3.2. Разработка динамически подобных моделей многопролетных сооружений 163
3.3. Амплитудно-скоростные характеристики моделей 171
3.4. Анализ особенностей аэроупругих колебаний многобалочных конструкций 205
ГЛАВА 4. Методика оценки амплитуд аэроупругих колебаний 225
4.1. Обзор методов математического моделирования аэроупругих явлений 225
4.2. Предлагаемая методика инженерной оценки амплитуд колебаний многобалочных конструкций 232
4.3. Рекомендации по оценке амплитуд предельных циклов аэроупругих колебаний 239
ГЛАВА 5. Методы гашения аэроупругих колебаний многобалочных сооружений 250
5.1. Обзор состояния вопроса 250
5.2.Общие принципы гашения 262
5.3.Разработка гасителей колебаний для реальных строений 268
Заключение 295
Список литературы 298
Приложение 326
- Методика моделирования приземного слоя атмосферы
- Пульсации давления на поверхности балок
- Разработка динамически подобных моделей многопролетных сооружений
- Предлагаемая методика инженерной оценки амплитуд колебаний многобалочных конструкций
Введение к работе
Механизмы возникновения нестационарных аэродинамических сил и колебаний тел в потоке жидкости и газа являются важными научными проблемами. Кроме научного, имеется и практический аспект данных проблем: например, возбуждение аэроупругих колебаний в ветровом потоке, привело в свое время к разрушению Такомского моста и ряду других, менее известных катастроф.
В настоящее время известны и описаны в научных трудах и нормативных документах несколько видов аэроупругой неустойчивости строительных конструкций. Но появление новых типов конструкций, увеличение их размеров порождает неизвестные ранее виды неустойчивости.
Долгое время незаслуженно малое внимание уделялось периоду монтажа, хотя на некоторых стадиях возведения сооружение сильнее подвержено аэроупругим колебаниям, чем при эксплуатации.
В современном мостостроении для установки пролетных строений в проектное положение широко применяется метод продольной надвижки (рис. В.1). При этом для облегчения консоли с авангардной части пролетного строения снимаются плиты перекрытия, в результате чего она представляет собой конструкцию из нескольких коробчатых балок, отстоящих друг от друга на расстояние трех-шести высот и соединенных поперечными связями в виде ферм (рис. В.2). Как показал опыт строительства подобных мостов и эксперименты, проведенные с моделями пролетных строений в аэродинамических трубах, при обтекании таких многобалочных конструкций возникают значительные пульсационные аэродинамические нагрузки. Так, при возведении моста через реку Обь в городе Барнауле зимой 1993-94 гг., под воздействием ветра со скоростью около 12...14 м/с возникли интенсивные колебания в вертикальной плоскости трехбалочной консоли длиной около 80 м с амплитудой порядка одного метра, которые могли привести к разрушению конструкции пролетного строения массой около 1000 т.
В литературе описаны десятки случаев разрушения мостовых конструкций под действием ветра [46, 67, 98, ПО, 177, 250, 262, 271]. Например, за вторую половину XIX в. только в США были полностью разрушены ветром три моста с пролетами от 300 до 400 м [ПО]. Далеко не первой, но в то же время одной из самых страшных катастроф, было крушение железнодорожного моста через залив Ферт-оф-Тей в Великобритании в 1879 г. Стальной мост протяженностью 3155 м, построенный годом ранее, был самым длинным в мире и по праву считался венцом инженерной мысли. Налетевший шквал буквально вырвал центральный пролет вместе с проходившим по нему поездом. Никто из 80 человек не спасся. Эта катастрофа имела огромный общественный резонанс, однако недостаточное развитие динамики сооружений и, в особенности, аэромеханики привело к тому, что точные причины аварии "по горячим следам" установлены не были. Тем не менее, было общепризнано, что мост разрушился в результате совместного воздействия динамических нагрузок от проходящего состава и ураганного ветра [46].
Проблема аэродинамической устойчивости мостовых конструкций с новой остротой стала в 40-х годах XX века и привлекла к себе внимание не только инженеров-строителей, создателей уникальных сооружений, но и многих исследователей в области механики вообще и аэродинамики в частности. Столь широкий интерес объяснялся катастрофой висячего моста Такома-Нэрроуз в США в 1940 г. [46, ПО, 177, 262]. Этот мост с главным пролетом 854 м, вполне успешно противостоявший значительным ветровым нагрузкам, оказался весьма чувствительным к слабому ветру, чем обратил на себя внимание исследователей ещё до катастрофы. Предварительные исследования НА. Бауэрса над моделями Н-образного сечения в аэродинамической трубе показали их аэродинамическую неустойчивость. В связи с этим изыскивались мероприятия, способные обеспечить аэродинамическую устойчивость сооружения, однако реализовать их помешала катастрофа. За ней последовало интенсивное изучение причин аварии, обстоятеьные экспериментальные исследования в аэродинамических трубах и поиск удовлетворительных физических моделей и математических теорий обтекания мостов ветровым потоком, чтобы найти критерии их аэродинамической устойчивости. Такомская катастрофа положила начало систематическим исследованиям ветрового воздействия на мостовые конструкции.
Начало серьезного изучения взаимодействия ветрового потока с различными телами, связанное с общим развитием теоретических и экспериментальных методов механики жидкости и газа, относится к концу XIX и началу XX века.
В России одним из первых исследованием этого вопроса занимался в начале века Н.А. Рынин. Он подверг критике существующие нормы для расчета зданий на давление ветра, провел обзор источников по этому вопросу, которые оказались «главным образом, спекулятивного характера» [112]. Существовавшие в то время нормы основывались на ударной теории взаимодействия потока с телом и учитывали только положительное давление на наветренные грани по известному закону «sin2ot». Н.А. Рынин провел в аэродинамических лабораториях ряд опытов с моделями зданий и двухскатных крыш. Были исследованы спектры обтекания моделей, измерены аэродинамические силы, распределения давления по поверхности моделей. Показано, что положительные давления наблюдаются только на наветренной стене дома, остальные поверхности испытывают отрицательное давление, был сделан вывод о необходимости пересмотра существующих норм расчета ветровой нагрузки.
Обширные исследования по изучению давления ветра на крыши и стены зданий провели в 20-х годах в ЦАГИ К.А. Бункин и A.M. Черемухин [23]. Авторы рассмотрели физические основы взаимодействия ветрового потока со зданиями, исследовали в аэродинамической трубе распределения давления по моделям зданий при вариациях направления потока, формы крыши, высоты стен, показали важность учета внутреннего давления. Большое значение этих работ в том, что аэродинамический эксперимент был применен к решению вопросов взаимодействия ветра с сооружениями, заложены основы дальнейшего развития вопроса. Эти работы способствовали принятию в 1931 году новых норм по расчету ветровых нагрузок, в которых учитывалось подсасывающее действие ветра и приводились аэродинамические коэффициенты для некоторых типов сооружений.
Большая роль в изучении аэродинамики зданий принадлежит Э.И. Реттеру, который в 1933г. сформулировал основные темы, требующие изучения в аэродинамических трубах, разработал технические условия для создания специальной аэродинамической трубы, в которых отмечалась необходимость приспособлений для создания различной степени турбулентности потока. В 1936г. Э.И. Реттером опубликована большая работа [109], в которой приведены результаты многочисленных экспериментов с моделями зданий, проведено обобщение натурных данных о вертикальном распределении скорости ветра, критически проанализированы нормы расчета зданий на ветровую нагрузку, предложены новые нормы, построенные на общепринятых в аэродинамике формулах для описания аэродинамических сил. В дальнейшем Э.И. Реттером и его учениками взаимодействие ветрового потока со зданиями последовательно изучалось применительно, в основном, к вопросам аэрации [108].
Вопрос о ветровых нагрузках на сооружения и о колебаниях тел в потоке получил дальнейшее развитие в нашей стране в работах Л.С. Гандина [28, 29], Г.М. Фомина [14, 141, 178], М.Ф. Барштейна, А.С. Бернштейна, А.И. Цейтлина, Н.А. Попова и др. [5, 7, 8, 104], К.К. Федяевского [139], М.И. Казакевича и др. [50, 67...71], Л.Х. Девнина [43], Г.А. Савицкого [116], A.M. Луговцева [86, 87], В.П. Мугалева [91, 92], Е.В. Соловьевой и др. [2, 130, 136], СМ. Горлина, Г.Е. Худякова и др. [26, 36, 37, 38, 39, 40, 145], В.А. Самсонова, С.Я. Герценштейна, И.В. Некрасова, А.Е. Ордановича и др. [5, 42, 57, 64, 85, 89, 95, 96, 129], В.Б Курзина и др. [35, 80, 81], А.И. Рябинина [113, 114], М.С. Комарова, В.В. Назаренко, К.С. Стрелкова [76], М.А. Березина [13, 88] и других ученых.
За рубежом одни из первых экспериментальных работ по изучению обтекания моделей зданий были проведены Ирмингером в 1891г., Стантоном в 1903г. [Цит. по: 109, ПО]. В начале века Эйфель изучая влияние масштабного фактора показал, что при изменении размеров модели в 40 раз распределение давления по ее поверхности практически не меняется [Цит. по: 23]. В 30-х годах количество экспериментальных исследований в данной области резко возросло. Толчком послужило интенсивное строительство высоких сооружений, небоскребный бум 30-х годов. В 1936г. Ирмингер обратил внимание на различие между характеристиками ветрового потока и потока в аэродинамической трубе [Цит. по: 173]. Сравнение натурных и модельных данных о распределении давления по крыше здания, проведенное Дарстом, показало, что они существенно отличаются, как количественно, так и качественно [175]. Одним из первых подробный анализ критериев подобия при моделировании процессов в пограничном слое атмосферы провел Скорер в 1963г. [Цит. по: 225].
Большая роль в развитии вопросов моделирования взаимодействия ветра с различными телами принадлежит Д. Сермаку [165], под руководством которого в 1963г. в США была построена одна из первых аэродинамических труб с длинной рабочей частью, отвечающая современным требованиям. Д. Сермаку принадлежит большое количество работ, охватывающих широкий круг вопросов в области промышленной аэродинамики.
В последние двадцать лет исследования различных аспектов взаимодействия ветрового потока с сооружениями, рельефом, снежным покровом бурно развиваются во многих странах, особенно в США, Японии, Канаде, Дании, ФРГ. В настоящее время в мире функционирует несколько десятков специализированных аэродинамических труб с длинной рабочей частью. Из современных зарубежных исследований в области нестационарной аэродинамики плохообтекаемых тел в первую очередь следует отметить работы А. Давенпорта [172, 173, 174], С. Скрутона [250, 251], Д. Ханта [192, 193], Э. Плэйта [225], Э. Симиу [134,252], Р. Блевинса [162], X. Сакамото [233, 234], П. Бирмана [155...159], Г. Рушевея [228,230, 231].
Из зарубежных научных организаций наибольшую известность в области теоретического и экспериментального изучения ветрового воздействия на строительные конструкции получили: Национальная физическая лаборатория в Теддингтоне (Англия), основанная Р. Фрезером и К. Скрутоном [250, 251]; Исследовательская лаборатория Вашингтонского университета в США, (Ф. Фаркуарсон, Д. Штейнман и др.) [177]; Технологический институт Китами в Японии (Сакамото и др.) [233, 234]; Аахенский университет в ФРГ, (Г. Рушевей) [228, 230, 231]; Лондонская лаборатория в Канаде, (А. Давенпорт и др.) [172,173, 214, 215, 263].
В настоящее время испытания мостов в аэродинамических трубах приобретают все более важное значение [4, 14, 31, 59, 67, 98, 142, 141, 144, 150]. Ранее такие испытания часто проводились после завершения строительства моста. Однако, например, при трубных аэродинамических испытаниях модели моста Анасис-Айленд-Бридж (Канада) удалось показать необходимость его реконструкции, что было связано с проблемами его возможной аэродинамической неустойчивости в процессе навесного монтажа [263]. Аналогичного результата удалось достичь при проведении аэродинамических испытаний моделей мостов " Золотые Ворота" в Сан-Франциско и "Дар -Айсл - Седгевик - Бридж" в штате Мэн [90]. При этом в ходе исследований удалось выявить особенности поведения сооружений при воздействии ветровой нагрузки, указывающие на их аэродинамическую неустойчивость, в результате чего были внесены изменения в конструкцию мостов.
Оценивая трудоемкость и стоимость подобных экспериментов В.Фэруэзер [144] отмечает, что обычно испытания проходят в течение нескольких недель (в зависимости от конструкции моста) и обходятся примерно в 20 тысяч долларов. При более сложных исследованиях сроки могут возрасти до 12 недель, а их стоимость до 60-120 тысяч долларов. Очевидно, что самим испытаниям предшествует достаточно трудоемкий этап разработки и изготовления модели, подготовки аппаратуры и стенда.
В нашей стране и в странах ближнего зарубежья также накоплен значительный опыт исследования и гашения аэроупругих колебаний сооружений, большепролетных висячих и вантовых мостов и трубопроводов. Этой проблематикой, в частности, занимается ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, [2, 14, 55, 76, 86, 87, 91, 92, 98, 142, 131, 136, 141, 178,], Институт механики МГУ [5, 26, 36...40, 42, 57, 64, 85, 89, 95, 96, 129,145], ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко [5, 7, 8, 104, 111], научный коллектив из Днепропетровска, руководимый профессором М.И. Казакевичем [50, 51, 67...71]. Помимо известных сооружений, созданных в ЦНИИ Проектстальконструкции (висячие переходы через реки Аму-Дарью (660 м ) и Днепр (720 м) и Союздорпроекте (вантовые мосты через реки Днепр (300 м) и Даугаву (308 м)), ими были проведены исследования, положенные в основу проектов вантовых мостов через р. Днепр в г. Днепропетровске с главным пролетом 320 м, через Волгу в городах Казани, Ульяновске и Астрахани с пролетом свыше 400 м, висячего нефтепроводного перехода через р. Аму-Дарью - свыше 900 м, моста через Обь в Сургуте [5, 76] и ряда других проектов. Все эти уникальные разработки создавались на современной научной основе и потребовали широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований на всех стадиях создания сооружений.
Вопросы обеспечения аэродинамической устойчивости мостовых конструкций в современном понимании получили более широкое толкование как по форме, так и по содержанию. Более глубоким стало изучение действия ветра на конструкции, реакции сооружений на ламинарный и турбулентный воздушный поток. Наряду с дальнейшим развитием теоретических методов и экспериментальных лабораторных исследований должное внимание стали уделять натурным испытаниям и наблюдениям.
В конце 1990 гг. в ЦАГИ совместно с институтом ГИПРОМОСТ были проведены исследования ряда мостов, возводимых в европейской части России [76, 98]. В данных статьях описаны методика моделирования, выявлены типы аэроупругих колебаний, методы гашения колебаний или их исключения, исследован весь спектр аэроупругих явлений: вихревое возбуждение, галопирование, изгибно-крутильный и срывной (крутильный) флаттер, даны практические предложения по гашению аэроупругих колебаний аэродинамическими методами. Особую ценность данной работе придает комплексность исследований: наряду с продувками в аэродинамической трубе уменьшенных моделей были определены частотные характеристики и демпфирующие свойства главных балок реальных пролетных строений. Это должно помочь избежать трудностей при переносе результатов эксперимента с моделями на натурное сооружение, которые обусловлены тем, что заранее обычно неизвестны реальные значения собственных частот, а также весьма ориентировочно известны значения логарифмического декремента колебаний для натурной конструкции.
Комплексное экспериментальное изучение проблемы совместно с теоретическими исследованиями позволило создать более надежные основы расчета конструкций на ветровую нагрузку [8,14, 43, 45, 67,137,138,176].
Однако, не смотря на большое количество исследований, механизм возбуждения аэроупругих колебаний плохообтекаемых тел, какими являются металлические мостовые конструкции, весьма сложен и все еще недостаточно изучен. Многообразие форм возбуждаемых колебаний мостовых конструкций определяется разнообразием форм поперечных сечений основных конструктивных элементов и структур течения.
В настоящее время различают следующие основные виды аэроупругой неустойчивости и колебаний тел в ветровом потоке: ветровой резонанс, галопирование, флаттер, бафтинг [см. например, 15,14, 67,134,141,162]. Исследованию вихревого возбуждения колебаний посвящено много работ (Т. Карман, А. Мэррис, Р. Блевинс и др. [16, 14, 67, 86, 93, 162]), тем не менее в настоящее время нет достаточно обоснованной теоретической модели этого явления и описание вихревого течения вокруг колеблющегося плохообтекаемого тела до сих пор остается полуэмпирическим.
Галопирование на основе квазистационарной модели исследовали П. Ден-Гартог, Г. Паркинсон, М. Новак и А. Давенпорт и др. [1, 44, 101, 172, 173, 213].
Обобщенные критерии, которые позволяли бы успешно решать задачу расчета динамической неустойчивой конструкции при бафтинге, не разработаны до сих пор [45, 67]. Их получают в каждом конкретном случае в результате экспериментов в аэродинамической трубе. Моделирование этого явления и перенос его на полномасштабную конструкцию представляется достаточно трудной задачей.
Срывной флаттер - автоколебания с преобладанием крутильных форм, связанные с гистерезисом аэродинамических сил и моментов при динамическом срыве потока (X. Штуцер, Г.М. Фомин, А.Н. Луговцов и др. [14, 134,141,162]).
При определенных условиях воздействие потока проявляется в комбинированном виде: например, на сооружение действуют порывы ветра и одновременно возникают автоколебания или сооружение, находящееся в следе за другими телами само находится в автоколебательном режиме (бафтинг + ветровой резонанс или бафтинг + галопирование).
Проведенный анализ литературных источников показал, что до настоящего времени в основном усилия исследователей были направлены на изучение аэродинамической неустойчивости одиночных балок разного сечения, а аэродинамические характеристики многобалочных (рис. В.2), в частности, трехбалочных конфигураций практически не описаны в литературе.
Лишь в последнее время отмечается повышенный интерес ученых к исследованиям конструкций, состоящих из нескольких элементов, в том числе одинаковых [52, 118, 113, 160, 161, 205], что в первую очередь связано с широким их применением в практике строительства и использованием новых методов монтажа. Для обеспечения прочности и надежности таких сооружений важно знать физическую природу взаимодействия их с ветровым потоком. Например, в работе [118] указывается на то, что взаимовлияние между двумя близко расположенными призматическими телами при наличии отрыва потока существенно изменяет картину их обтекания, приводя к возникновению непредсказуемых сил и распределений давления, а также к интенсификации или подавлению процесса схода вихрей. Естественно предположить, что компоновки, состоящие из трех одинаковых элементов, дадут еще большее разнообразие структур течения, а значит и порожденных ими форм аэроупругой неустойчивости.
Обзор аэродинамических способов гашения колебаний, приведенный в пятой главе, также показал, что гасители в основном разрабатывались для одиночных сооружений.
Поэтому, учитывая перспективу дальнейшего широкого применения подобных сооружений, актуальным является детальное исследование нестационарных аэродинамических нагрузок на многобалочные конструкции, создание инженерной методики оценки амплитуд колебаний, развитие общих подходов к гашению аэроупругих колебаний для подобного класса сооружений. В работе в основном рассматриваются вопросы колебаний пролетных строений мостов в ветровом потоке, хотя полученные результаты могут использоваться также и для других протяженных плохообтекаемых сооружений.
Вследствие большой сложности задачи обтекания системы колеблющихся тел потоком жидкости или газа из возможных подходов к ее решению (аналитических, численных, натурных наблюдений, экспериментальных методов) основной упор сделан на эксперименты с моделями сооружений в аэродинамических трубах.
С учетом проведенного обзора литературных источников сформулированы следующие цели работы:
- Исследование механизма возникновения колебаний многобалочных сооружений в воздушном потоке;
- Исследование нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на многобалочные конструкции;
- Совершенствование методики аэродинамических испытаний упругих моделей пролетных строений мостов и других инженерных сооружений;
- Создание инженерной методики расчета, позволяющей на стадии проектирования оценивать амплитуды аэроупругих колебаний сооружений;
- Развитие общих подходов к гашению аэроупругих колебаний для рассматриваемого класса сооружений.
Текст диссертации объемом 332 страницы состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 282 наименований и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы.
Во введении обосновывается актуальность работы, сделан краткий исторический обзор, излагается современное состояние вопроса, общий обзор работ по нестационарным аэродинамическим силам, действующим на плохообтекаемые конструкции, способам гашения аэроупругих колебаний.
Первая глава диссертации посвящена методике исследований нестационарных аэродинамических сил и аэроупругих колебаний на моделях многобалочных плохообтекаемых конструкций в аэродинамических трубах. Обоснован выбор главных критериев подобия при моделировании аэроупругих явлений (Рейнольдса, Струхаля, Скрутона, Коши, Ньютона), соблюдение которых позволит перенести результаты экспериментальных исследований на натуру. Рассматривается методика моделирования приземного слоя атмосферы (ПСА) в аэродинамических трубах, приводится краткий обзор литературных данных по характеристикам ПСА для различных типов подстилающей поверхности.
Рассматриваются основные типы моделей для аэродинамических экспериментов: секционные (жесткие и упруго подвешенные), динамически и конструкционно подобные, анализируются преимущества и недостатки, области применения того или иного типа.
Приведено описание экспериментального стенда, аэродинамической трубы и информационно-измерительного комплекса, описаны методики испытаний секционных моделей на жесткой державке и на упругой подвеске, а также динамически подобных моделей и методики обработки результатов этих экспериментов.
Вторая глава посвящена исследованиям нестационарных аэродинамических характеристик жестко закрепленных и упруго подвешенных секционных моделей многобалочных сооружений.
Исследованы осредненные аэродинамические характеристики жестко закрепленных на тензовесах секционных моделей, подтверждено слабое влияние числа Рейнольдса в исследованном диапазоне на аэродинамические характеристики тел с острыми угловыми кромками, в том числе многобалочных. Получены зависимости коэффициентов сопротивления и подъемной силы от угла атаки, позволяющие судить о предрасположенности сечений к галопированию.
Исследованы колебания упруго подвешенных секционных моделей многобалочных сооружений. Проведены многочисленные параметрические эксперименты с одно-, двух- и трехбалочными моделями с тремя типами балок, различающимися относительной шириной сечений по потоку В/Н и межбалочным расстоянием L/H (рис. В.2.).
Установлено, что в отличие от одиночных балок практически все многобалочные компоновки подвержены возбуждению аэроупругих колебаний в вертикальной плоскости в нескольких диапазонах скоростей потока.
Для компоновок, представляющих наибольший практический интерес, были проведены дополнительные исследования по влиянию конструкционного демпфирования на характеристики колебаний. Описываются результаты дренажных испытаний моделей. При проведении исследований были
определены распределения пульсаций давления по балкам, энергетический вклад каждой балки в развитие колебаний, спектральные характеристики пульсаций давления на различных режимах колебаний, установлено, что вклад балок в развитие колебаний на разных режимах не одинаков. При этом определяющее значение имеет не столько величина пульсации давления, сколько сдвиг фаз между ней и смещением модели.
При помощи проволочных термоанемометров исследовались пульсации скорости в окрестности одно-, двух- и трехбалочных моделей, определялись спектры по частотам и волновым числам, корреляции пульсаций скорости в зависимости от геометрических параметров моделей и режимов колебаний. Для многобалочных моделей обнаружены явления многовариантности и перемежаемости структуры потока, причем, переключение с одного режима обтекания на другой можно произвести внесением в поток перед моделью кратковременного сильного возмущения. Похожее явление для поперечно расположенных призм отмечалось А.Н. Рябининым [115]. Сами по себе режимы не сменяются, что отличает это явление от известной бистабильности течения.
Приведены результаты исследований пульсационной составляющей подъемной силы, действующей на одно- и многобалочные модели перпендикулярно потоку (поскольку опасность для исследуемого класса конструкций представляют изгибные колебания в вертикальной плоскости). Для описания пульсационной составляющей подъемной силы предложен определяемый экспериментально коэффициент Са, который представляет собой функционал, характеризующий работу аэродинамических сил за один период для рассматриваемого тона. Показано, что для многобалочных конструкций зависимости Са от амплитуды принципиально отличаются для различных режимов колебаний. Полученные данные могут служить основой для расчетов колебаний многобалочных конструкций в ветровом потоке.
Приведен обзор литературы по методам визуализации, разработаны и изготовлены устройства, необходимые для проведения исследований (дымогенератор, устройство индикации фаз и др.), программное обеспечение для синхронизации измерений и картин течения.
Для лучшего понимания и интерпретации дымовых картин на основе метода дискретных вихрей построена программа, численно моделирующая процесс обтекания одиночной колеблющейся балки и производящая численную визуализацию потока различными способами. Получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных структур течения для линий меченых частиц
Визуализация обтекания многобалочных моделей показала, что для них характерна реализация нескольких типов обтекания с формированием устойчивых когерентных вихревых структур.
Третья глава содержит описание результатов экспериментов с моделями четырех реальных пролетных строений мостов через р.Обь в г.Барнауле, р. Томь в г.Томске, р.Иртыш в г.Омске и р.Томь в г.Кемерове. Описаны конструкции исследованных пролетных строений, процесс разработки динамически подобных моделей пролетных строений мостов.
Описаны исследования амплитудно-скоростных характеристик динамически подобных моделей пролетных строений мостов. Обобщены данные предыдущих разделов, проводится анализ механизма возбуждения колебаний многобалочных конструкций.
Четвертая глава посвящена методам расчета колебаний плохообтекаемых тел в воздушном потоке. Приведен обзор методов математического моделирования нестационарных аэродинамических сил и аэроупругих колебаний, описана предложенная инженерная методика, позволяющая определять резонансные скорости и амплитуды предельных циклов аэроупругих колебаний многобалочных сооружений основываясь на минимальном объеме входных экспериментальных данных. Приводятся рекомендации по оценке возможных типов аэроупругих колебаний, диапазонов опасных скоростей ветра в зависимости от геометрических параметров строения, обобщенные данные для инженерных расчетов.
Пятая глава посвящена методам гашения аэроупругих колебаний плохообтекаемых многобалочных конструкций. Приведен обзор работ по методам гашения аэроупругих колебаний, сформулированы основные принципы аэродинамического гашения аэроупругих колебаний плохообтекаемых многобалочных конструкций, рассмотрены способы оптимизации параметров аэродинамических гасителей колебаний. Описаны примеры разработки гасителей колебаний для четырех реальных пролетных строений мостов. В конце раздела сформулированы основные этапы работ по исследованию аэроупругих колебаний пролетных строений мостов и поиску способов их гашения, начиная от разработки расчетной схемы натурной конструкции, оценки диапазонов опасных скоростей ветра и кончая оптимизацией и проектированием гасителей.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе.
Научная новизна:
Для исследованных многобалочных конфигураций, наряду с классическим ветровым резонансом и галопированием, выявлены новые разновидности аэроупругих колебаний, обладающие специфическими свойствами и обусловленные интерференцией балок.
Получены новые экспериментальные данные об аэродинамических нагрузках, действующих на колеблющиеся поперек потока конструкции, состоящие из нескольких последовательно расположенных балок прямоугольного сечения, в широком диапазоне изменения их геометрических параметров и чисел Струхаля.
Обнаружен эффект многократного увеличения амплитуды колебаний тела при расположении в его аэродинамическом следе другого тела сопоставимых размеров.
Выявлено существование нескольких типов вихревых структур, а также бистабильности и перемежаемости течения, возникающих при обтекании одной и той же многобалочной конфигурации при различных числах Струхаля и относительных амплитудах колебаний.
Обобщена и расширена классификация типов взаимодействия воздушного потока с рассматриваемым видом сооружений.
Численным методом исследована степень неустойчивости дорожки Кармана при случайных возмущениях, получены количественные характеристики неустойчивости дорожки при различных относительных шагах вихрей.
Для описания пульсационной составляющей аэродинамической силы предложен функционал, характеризующий работу силы на одном периоде колебаний, и на этой основе разработан метод расчета амплитуд колебаний сооружения в воздушном потоке.
Сформулированы общие принципы аэродинамического гашения колебаний сооружений в воздушном потоке, требования к устройствам для гашения, отработана методика оптимизации параметров устройств.
Практическая ценность:
Отработана методика аэродинамических испытаний упругих моделей многоопорных мостовых конструкций и других инженерных сооружений, сформулированы основные этапы работ по исследованию аэроупругих колебаний.
Разработана методика проектирования динамически подобных моделей с использованием введенного понятия эквивалентной консоли, методика изготовления моделей с использованием разномодульных материалов.
Получены и систематизированы данные о пульсационных составляющих аэродинамических нагрузок на многобалочные сооружения при аэроупругих колебаниях.
На основе сопоставления результатов визуализации обтекания, дренажных и термоанемометрических исследований колеблющихся моделей выявлены характерные структуры течения для различных режимов аэроупругих колебаний.
Полученные спектры обтекания, результаты термоанемометрических и дренажных измерений могут быть использованы для верификации численных моделей.
Результаты параметрических исследований позволяют определить наиболее и наименее опасные (с точки зрения амплитуды аэроупругих колебаний) геометрические параметры конструкции.
Разработан инженерный метод оценки амплитуд колебаний сооружения в воздушном потоке. Показано, что опасные колебания возникают обычно не при максимальном, а при некотором промежуточном вылете консоли.
Получены обобщенные данные для инженерных расчетов аэроупругих колебаний многобалочных конструкций.
На защиту выносятся:
Результаты исследований механизма возникновения колебаний многобалочных конструкций в воздушном потоке, данные о новых разновидностях аэроупругих колебаний, обладающих специфическими свойствами и обусловленных аэродинамической интерференцией балок. Существование нескольких типов вихревых структур, а также бистабильности и перемежаемости течения, возникающих при обтекании одной и той же многобалочной конфигурации при различных числах Струхаля и относительных амплитудах колебаний.
Новые экспериментальные данные об аэродинамических нагрузках, действующих на колеблющиеся поперек потока сооружения, состоящие из нескольких последовательно расположенных балок прямоугольного сечения, в широком диапазоне изменения их геометрических параметров и чисел Струхаля.
Эффект многократного увеличения амплитуды колебаний тела при расположении в его аэродинамическом следе другого тела сопоставимых размеров.
Обобщенная и расширенная классификация типов взаимодействия воздушного потока с рассматриваемым видом сооружений.
Полученные численным методом количественные характеристики неустойчивости дорожки Кармана при различных относительных шагах вихрей.
Методика проектирования - динамически подобных моделей многоопорных сооружений с использованием введенного понятия эквивалентной консоли, применение разномодульных материалов при изготовлении моделей для обеспечения требуемых массовых и жесткостных параметров.
Метод расчета амплитуд колебаний сооружений в воздушном потоке на основе предложенного функционала, характеризующего работу пульсационной составляющей аэродинамической силы на одном периоде колебаний.
Обобщенные данные для инженерных расчетов аэроупругих колебаний многобалочных конструкций, компоновки, наиболее и наименее подверженные возбуждению аэроупругих колебаний.
Сформулированные общие принципы гашения колебаний сооружений в воздушном потоке, требования к устройствам для гашения, методика оптимизации параметров устройств.
Результаты исследований динамически подобных моделей четырех натурных пролетных строений мостов, аэродинамические устройства для гашения их колебаний.
Личный вклад автора. Диссертант внес определяющий вклад в постановку и реализацию программы экспериментальных исследований, являясь научным руководителем госбюджетных и хоздоговорных НИР, результаты которых использованы в диссертации. Автор принимал непосредственное участие в разработке и отладке экспериментальных методик, в проведении экспериментов, обработке и анализе их результатов. Результаты теоретических исследований и численных расчетов, приведенных в диссертации, получены лично автором.
В приложении представлены акты внедрения результатов работы, показывающие, что экономический эффект от использования результатов работы составляет сотни миллионов рублей в ценах 2005 года.
Работа выполнена в лаборатории аэродинамики промышленных объектов Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Работа была начата в инициативном порядке и продолжалась в рамках тематического плана, а затем единого заказ-наряда НГТУ на проведение НИР, финансируемых из средств федерального бюджета ("Исследование нестационарных аэродинамических сил, действующих на многобалочные строения мостов", "Фундаментальные проблемы механики в задачах аэродинамики наземных сооружений и экологии", "Построение математической модели аэроупругих колебаний многобалочных сооружений"), а также в рамках проекта "Новосибирский объединенный исследовательский университет высоких технологий" (Госконтракты А0050, Б0097/1376) [56, 58, 59, 60, 65, 143]. Результаты работы используются в учебном процессе НГТУ при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсу «Промышленная аэродинамика», при выполнении дипломных работ и магистерских диссертаций. Полученные результаты использовались при проведении в 1993-2002 гг. хоздоговорных НИР [61, 62, 106, 107], направленных на изучение аэроупругих колебаний пролетных строений мостов и разработку устройств для гашения этих колебаний ( мосты через р.Обь в г.Барнауле, р.Томь в г.Томске, р.Иртыш в г.Омске и р.Томь в г.Кемерове).
Методика моделирования приземного слоя атмосферы
При обеспечении полного динамического подобия эти комплексы для натурного сооружения и модели должны быть равны. Полного подобия в практических задачах достичь сложно. Однако во многих задачах достаточно, чтобы модель воспроизводила главные свойства оригинала, в этом случае будет обеспечено частичное подобие, которое дает решение с приемлемой для практики точностью.
При физическом моделировании необходимо в первую очередь обеспечить геометрическое подобие внешних форм модели и натуры. Удовлетворение этому требованию в большой степени зависит от выбора масштаба модели, который определяется размерами имеющейся в распоряжении исследователей аэродинамической трубы.
Критерий Рейнольдса предполагает равенство соотношений между силами вязкости и инерции на реальном объекте и на модели (здесь и далее индексы «н» относятся к натурному сооружению, индексы «л » - к модели):
Учитывая, что вязкость воздуха в реальных условиях и при моделировании в аэродинамической трубе практически одна и та же, а размеры модели примерно на два порядка меньше, чем реального объекта, то для равенства чисел Рейнольдса необходимо, чтобы скорость в эксперименте тоже на два порядка превосходила скорость ветра. Однако в этом случае скорость потока в трубе будет достигать величины порядка нескольких сотен метров в секунду. При этом произойдет качественная перестройка характера течения, которая связана с проявлением сжимаемости воздуха. Таким образом, добиться подобия по числу Рейнольдса на малоразмерных моделях при одной и той же рабочей среде в натурных и модельных условиях практически невозможно. Один из путей решения проблемы связан с существованием автомодельное течения при обтекании тел, имеющих острые кромки. Экспериментальные исследования плохообтекаемых тел с острыми кромками показывают [17, 43, 139, 273], что в достаточно широком диапазоне чисел Рейнольдса (104 Re 107) их аэродинамические характеристики не претерпевают существенных изменений. Это объясняется тем, что от величины числа Рейнольдса зависит прежде всего тип пограничного слоя (ламинарный или турбулентный ), что, в свою очередь, определяет характер и место отрыва потока от поверхности тела. При обтекании тел с острыми кромками точки отрыва совпадают с угловыми точками, поэтому положение зон отрыва не меняется, следовательно, имеет место автомодельность по числу Рейнольдса. Учитывая, что в натурных условиях числа Рейнольдса обычно соответствуют автомодельной зоне (Re 10), необходимо, чтобы и в экспериментах была обеспечена автомодельность течения (Re 104), что вполне реально при масштабе модели 1:100 и крупнее.
Непременным условием моделирования нестационарных, а значит, и аэроупругих явлений является соблюдение критерия гомохронности, т.е. единовременности протекания нестационарных физических процессов для натурного и модельного объектов, что характеризуется равенством чисел
Струхаля: Sh = idem или fofli/V ffjJIj/VjJ. Здесь/- характерная частота процесса. Если, например, это частота схода вихрей - ей соответствует аэродинамическое число Струхаля, если частота колебаний конструкции 27 кинематическое [139]. Критерий Коши (Са = idem) определяет подобие упругих свойств реального объекта и модели. Число Коши находится в виде соотношения упругих и аэродинамических сил и определяется по формуле: Выполнение условия Коши обеспечивается соответствующим подбором жесткости элементов аэроупругой модели и величины скоростного напора. Подобие по числу Ньютона Nw=m/pH для модели и натуры обеспечивается (при выбранном геометрическом масштабе и равенстве плотностей) выбором требуемого масштаба погонных масс. Критерий Скрутона (Sc = idem) характеризует подобие демпфирующих свойств натуры и модели. Число Скрутона, называвшееся ранее безразмерным параметром демпфирования [14, 272], определяется в виде: При равенстве относительных плотностей, выполнение подобия по числу Скрутона сводится к равенству логарифмических декрементов колебаний для модели и натуры. Сложность выполнения этого условия состоит в том, что на стадии проектирования, как и на стадии возведения сооружения, определить декремент колебаний крайне затруднительно, однако этот параметр сильно влияет на интенсивность возникающих колебаний и эффективность использования тех или иных мер, направленных на их гашение. Данные по значениям логарифмического декремента колебаний для пролетных строений мостов, встречающиеся в литературных источниках, различаются на порядки [50, 69, 84, 98]. Представляется целесообразным проводить испытания динамически подобных моделей при минимально возможном декременте колебаний, тогда б ольшие относительные амплитуды колебаний модели пойдут "в запас прочности". С учетом опыта работ с пролетным строением моста через р. Обь в г. Барнауле [106] (когда относительные амплитуды колебаний оказались примерно одинаковыми для модели и натуры), данных натурных измерений [69, 98], можно сделать вывод, что для данного класса сооружений значение логарифмического декремента колебаний динамически подобной модели должно быть не более 0,02...0,03.
Условие є = idem требует, чтобы структура набегающего потока в аэродинамической трубе соответствовала натурному ветру в приземном слое атмосферы (ПСА), т.е. должно быть соблюдено подобие вертикальных градиентов скорости, интенсивности и масштаба турбулентности, спектра пульсаций скорости. В данной работе это требование удовлетворяется благодаря установке на срезе сопла решетки из горизонтально расположенных стержней со специально подобранными параметрами.
Пульсации давления на поверхности балок
Поэтому рациональное решение - основные элементы динамически подобной модели, находящиеся в потоке, формовать из композиционного материала на основе углеткани и стеклоткани с эпоксидным связующим. Соотношение между компонентами должно было выбрано таким, чтоб соблюсти требуемые для обеспечения динамического подобия масштабы по массе и жесткости. С целью более точного определения жесткостных и прочностных характеристик данного композиционного материала проводятся испытания образцов коробчатой балки. По результатам испытаний окончательно уточняется требуемое количество слоев углеткани и стеклоткани, толщины стенок балок на отдельных участках, чтобы обеспечить распределение погонной массы и жесткости, подобное натурной конструкции. Массы отдельных элементов модели контролируются на всех этапах изготовления с целью дальнейшего обеспечения статической и динамической балансировки
Со стороны опоры углепластиковые балки для удобства крепления к опоре удлиняются балками из дюралюминия, имеющими длину и показатели удельной жесткости, обеспечивающие наиболее близкое соответствие форм колебаний модели и натурного строения. В районе заделки на полки металлического профиля наклеиваются тензорезисторы, предназначенные для регистрации процесса колебаний.
Модель формуется в специально изготовленной оснастке. При формовке и склейке модели необходимо обеспечивать высокое качество, так как элементы модели испытывают при колебаниях большие напряжения. К тому же щели, трещины, внутренние полости очень сильно увеличивают декремент колебаний модели.
Модель крепится с помощью прижимов на регулируемой поворотной опоре, вынесенной за границы потока из рабочей части аэродинамической трубы. Опора позволяет менять длину вылета консоли. Кроме того, предусмотрена возможность поворота модели в горизонтальной плоскости. При проектировании опоры следует уделять особое внимание ее жесткости: собственные частоты колебаний элементов опоры должны не менее чем в полтора раза превышать максимальную собственную частоту колебаний модели, иначе при испытаниях будут возникать резонансные колебания элементов опоры, искажающие результаты экспериментов.
Для имитации земной поверхности в рабочей части аэродинамической трубы устанавливается экран, для моделирования ПСА на срезе сопла устанавливается решетка с переменным по высоте шагом.
Для регистрации и предварительной обработки результатов экспериментов в реальном масштабе времени используется информационно — измерительный комплекс (ИИК) на базе ЮМ PC и КРЕЙТа КАМАК. Запись колебаний производится с помощью тензорезисторов, наклеенных на балки, спаянных в мостовые схемы и соединенных с регистрирующей аппаратурой. На одну диагональ балансировочного моста подается напряжение питания от высокостабилизированного источника питания. Сигнал рассогласования с другой диагонали, обусловленный деформациями тензоэлементов, усиливается многоканальным усилителем и преобразовывается в цифровой код модулем АЦП КРЕЙТа КАМАК. ЭВМ опрашивает показания модуля АЦП с частотой, необходимой для того, чтобы на каждый период колебаний приходилось примерно 20...30 отсчетов и заносит их на жесткий диск. В процессе измерений информация в реальном масштабе времени отражается на экране компьютера. Далее, на основании первичной информации, проводится спектральный анализ осциллограмм, определение чисел Струхаля, амплитуды и декрементов колебаний, других необходимых параметров. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе Т-503 лаборатории промышленной аэродинамики НГТУ. Аэродинамическая труба Т-503 замкнутого типа с открытой рабочей частью, имеет следующие основные характеристики: - скорость потока до 60 м/с; - диаметр рабочей части - 1,2 м, длина рабочей части -2 м; - мощность привода вентилятора - 165 кВт. - неравномерность скорости в ядре потока диаметром 0,8 м - не более 0,75%. - степень турбулентности без турбулизирующих устройств не более 0,3%. Аэродинамическая труба оснащена четырехстепенным координатником, позволяющим перемещать измерительный зонд практически по всему объему рабочей части. Точность перемещения по продольной и поперечной осям - 1 мм, по вертикальной оси - 0,5 мм, по углу р - 0,5 град. Определение скорости невозмущенного потока производилось с учетом коэффициента поля по перепаду между полным и статическим давлением, воспринятому комбинированным насадком, установленным на срезе сопла рабочей части и соединенным с контрольным манометром. Погрешность измерения скорости на базе 10 м/с составляла не более 0,1 м/с.
Разработка динамически подобных моделей многопролетных сооружений
Ширина каждой резонансной области растет по мере уменьшения демпфирования. Первый (F=6...8) и второй (К 10) резонансные диапазоны характеризуются относительно слабой зависимостью максимальных амплитуд от числа Скрутона - при росте Sc с 15 до 75 амплитуда падает менее, чем в полтора раза (рис. 2.29). Наиболее «чувствителен» к демпфированию «третий» резонанс (У =8,5...10,5): по мере увеличении Sc с 25 до 42 безразмерная амплитуда падает с 0,3 до 0,15, при этом для начала колебаний требуется первоначальный импульс («жесткое» возбуждение). В случае более высокого демпфирования резонанса в данном диапазоне скоростей вообще не возникает. Именно эта особенность колебаний косвенно и отражена в названии («третий»): в отличие от «первого» и «второго», этот резонанс может вообще не возникнуть при достаточно высоком демпфировании.
Во время параметрических испытаний трехбалочных моделей с минимальным демпфированием «третий» резонанс особо выделен не был, так как он плавно перешел из «второго» на скорости F«8. Это было обусловлено тем, что в той серии экспериментов ставилась задача нахождения максимальных амплитуд колебаний, при этом внутри диапазонов резонансных скоростей не уточнялась способность модели к «мягкому» возбуждению.
Эксперименты показали, что для всех рассмотренных трехбалочных конструкций существует три диапазона скоростей потока, при которых возникают колебания модели в вертикальной плоскости. Минимальные значения скорости, при которых начинаются резонансные колебания для каждой из компоновок практически постоянны и не зависят от числа Sc. Ширина резонансной области для каждой отдельно взятой компоновки растет по мере уменьшения демпфирования.
Первый резонанс, для которого характерно «мягкое» возбуждение при достаточно низких скоростях, существует для всех компоновок и максимальные амплитуды колебаний на нем, а также соответствующая им скорость, плавно уменьшаются по мере роста демпфирования, причем более узкорасположенным балкам соответствует меньшая критическая скорость первого резонанса.
На втором резонансе амплитуды колебаний растут практически пропорционально скорости потока, при этом амплитудные кривые при различном демпфировании практически не «расслаиваются». Момента прекращения резонанса в некоторых случаях зафиксировать не удалось, так как возникали колебания крутильного типа. Амплитуды колебаний на этом режиме сопоставимы с амплитудами на первом резонансе, но возникают на скоростях примерно в полтора-два раза больших.
Особенностью третьего резонанса следует считать наибольшую чувствительность к демпфированию: при использовании больших демпферов он не возникает вообще. Так, для трехбалочной модели с 5=2/3, Ь=в (рис.2.27) данный режим колебаний находится между первым и вторым резонансами, при уменьшении межбалочного расстояния эта область смещается в сторону больших скоростей.
Эксперименты с трехбалочными моделями позволили установить, что, числа Скрутона Sc 80...90 можно условно считать пороговым, то есть такими, что при больших числах Sc колебания данной моделей уже не возбуждаются.
Таким образом, эксперименты показали, что в отличие от одиночных балок практически все многобалочные компоновки (кроме состоящих из самых узких балок с 5/Я=1/6) подвержены возбуждению аэроупругих колебаний в вертикальной плоскости в нескольких диапазонах скоростей потока. Причем, для всех моделей существует основная резонансная область, в которой механизм возбуждения по природе своей сходен с классическим ветровым резонансом и происходит из-за совпадения частоты схода вихрей с собственной частотой колебаний модели. Числа Струхаля при этом близки, как для трехбалочных, так и для двух- и однобалочных моделей. Другие резонансные области связаны с интерференцией балок, то есть с взаимовлиянием сошедших с первой балки вихрей с балками, расположенными ниже по потоку. Эти области характерны, прежде всего, для трехбалочных компоновок, а также для небольшого числа двухбалочных. Причем, приведенная скорость, соответствующая одному из резонансов для многобалочных конструкций, является приблизительно линейной функцией расстояния между крайними балками. 2.3 Пульсации давления на поверхности балок
Для нахождения распределения пульсаций давления по балкам и установления вклада каждой из них-в возникновение и развитие колебаний были проведены дренажные испытания для ряда компоновок секционных моделей. Относительная ширина балок, исследованных в экспериментах составляла В/Н=2/3, относительное расстояние между осями крайних балок L/H изменялось в диапазоне 4,5...9,5 (рис. 2.1). Частота колебаний моделей составляла 14... 15 Гц. Число Рейнольдса, определяемое по высоте балок, изменялось в пределах 0,2...0,6 105.
Опрос датчиков проводился с частотой, в 35...45 раз превышающей частоту колебаний модели. Сигналы с датчиков усиливались, преобразовывались в цифровой вид и обрабатывались на ЭВМ. Пример распределения коэффициента давления по поверхности трехбалочной модели в зависимости от фазы колебаний приведен на рис. 2.30, 2.31. Был проведен спектральный анализ пульсаций давления на балках и осциллограмм колебаний модели, проанализированы сдвиги фаз между пульсациями давления на различных балках и смещением моделей. Анализ полученных осциллограмм давления показал, что по ширине грани колеблющейся балки модели давление, как правило, меняется незначительно (за исключением участков непосредственно вблизи угловых точек сечения). Аналогичные результаты на колеблющейся квадратной призме были получены Берманом [159]. Поэтому было решено устанавливать на каждую балку по одному датчику и его показания принимать в качестве оценки среднего давления, действующего на всю грань.
Предлагаемая методика инженерной оценки амплитуд колебаний многобалочных конструкций
Для более детального представления о структуре обтекания как изолированных балок, так и многобалочных конфигураций, с помощью термоанемометра были проведены измерения пульсационных скоростей потока в окрестности секционных моделей.
В данных экспериментах использовался термоанемометрический комплекс ТАИК-3, датчик которого с помощью координатника перемещался в вертикальной плоскости симметрии модели. Сигналы с датчика обрабатывались с помощью ИИК и выводились на экран ЭВМ.
Первичная информация, полученная непосредственно при проведении эксперимента, представляет собой массивы чисел, упорядоченные по столбцам и записанные в отдельный для каждой продувки файл данных. Для обработки первичной информации был разработан комплект программ, позволяющих определять следующие параметры: - осредненную величину продольной скорости потока V (строго говоря в областях с большими скосами потока и четко выраженным вихревым течением термоанемометр регистрировал проекцию вектора скорости на вертикальную плоскость симметрии); - пульсационную составляющую скорости и ; - интенсивность турбулентности а; (при нахождении коэффициентов пространственно-временной корреляции использовался следующий прием: поскольку R для сигналов с четко выраженной гармоникой представляет собой, по сути, коэффициент пространственной корреляции, определенный для совмещенных по фазе сигналов, а величина скорости V , входящая в формулу (2.2) изменяется на участке между датчиками термоанемометра, то R находился, как максимум Rxt при варьировании V с малым шагом в окрестности среднего для двух датчиков значения). - спектры по частотам и по волновым числам. Разработанная программа позволяла при гармоническом анализе для получения оптимального вида спектральной зависимости задавать различные типы окон и ширину полосы пропускания. Отладка показала, что лучшие результаты дают окна типа cosn(x) и окна Блэкмана-Хэрриса [128]. - при наличии четко выраженной гармонической составляющей, т.е. четкого пика на спектре пульсаций определялись также сдвиг фаз между сигналами, длины и скорости волн. На первом этапе термоанемометрических исследований измерялись, а затем анализировались пульсации скорости в следе за неподвижными одиночными балками с различной формой поперечного сечения, с целью определения аэродинамических чисел Струхаля. По характеру спектра выделенных частот поток в непосредственной близости за моделью можно разделить на несколько зон: симметричные области, расположенные вблизи плоскостей, проходящих через горизонтальные грани балок, в которых наблюдается четкий пик на доминирующей частоте, пропорциональной скорости невозмущенного потока, что обусловлено регулярным сходом вихрей только с переднего верхнего (либо нижнего) угла; - область вблизи горизонтальной плоскости симметрии модели, в которой кроме основной частоты имеется еще и удвоенная (в некоторых случаях превалирует именно она). Удвоение частоты здесь связано прохождением через эту область поочередно вихрей, срывающихся как с верхней, так и с нижней граней балки. - внешняя область течения, частоты пульсаций скорости в которой носят случайный характер и определяются не вихревой структурой регулярного отрыва, а естественной турбулентностью набегающего потока. Во всех случаях в окрестности неподвижных одиночных балок отмечалась линейная зависимость между доминирующей частотой флуктуации в следе и скоростью невозмущенного потока f= Sh V/H, что говорит о независимости аэродинамических чисел Струхаля от чисел Рейнольдса в исследованном диапазоне 104...0,2 106. Для балки В/Н=УЗ аэродинамическое число Струхаля составило Sh=0,135, для В/Н=21Ъ- Sh=0,124, для В/Н=\- Sh=0,12. Эти результаты хорошо согласуются с известными данными [14, 43, 67]. Для типовой балки, используемой в мостостроении - Sh=0,12. Интересные результаты были получены при измерении пульсаций скорости в окрестности одиночной призмы с относительной протяженностью по потоку В/Н=0,&. При неподвижно закрепленной призме наблюдалось существование двух устойчивых режимов обтекания: один режим с периодическим сходом вихрей, образованием дорожки Кармана и четким пиком на спектре пульсаций скорости, и другой режим с отсутствием регулярного вихреобразования и широким спектром пульсаций без какой-либо превалирующей частоты. Причем, переключение с одного режима обтекания на другой можно произвести внесением в поток перед моделью кратковременного сильного возмущения. Сами по себе режимы не сменяются, что отличает это явление от известной бистабильности течения [119]. Даже при очень малых амплитудах колебаний модели (более 0.005...0.01Я} многовариантность режимов уже не проявляется, а реализуется только один режим обтекания с периодическим сходом вихрей и образованием дорожки Кармана.
Были также проведены измерения пульсаций скорости в окрестности неподвижных двухбалочных моделей, имеющих В/Н=2/3 и относительное расстояние между балками, которое менялось в диапазонеL/H=l...9.