为了给实际土木工程中并列三方柱结构的抗风设计提供参考,采用刚性模型测压风洞试验的方法,测试并研究了并列三方柱的升阻力系数、风压系数及斯托罗哈数随间距的变化规律。三方柱相邻两柱的间距与单方柱边长之比L/D的变化范围为1.2~8.0。研究结果表明当1.2≤L/D≤2.0时,由于偏流现象的存在,两侧方柱的气动力不等,中间方柱会受到非0的平均升力作用;当L/D由2.0增加到2.5时,两侧方柱的脉动阻力会出现突升现象;当L/D由3.0增加到3.5时,中间方柱的脉动阻力和三方柱的脉动升力会出现突升现象。并列三方柱的旋涡脱落在1.2≤L/D≤2.0时受到了明显的抑制,在L/D≥2.5时比较明显,且对应的斯托罗哈数大致相等。

以实际工程为研究背景,采用CFD数值模拟方法分析了串列不规则截面桥塔的抗风性能。在不同风向角或间距比条件下,计算并对比了单个塔柱和双塔柱的气动力系数和斯托罗哈数,分析了双塔柱周围流场的时均压力和时均旋涡流线情况。结果表明两个塔柱的阻力系数和斯托罗哈数相比单个塔柱均发生不同程度的降低。随着风向角的增大,单个塔柱和上游塔柱的阻力系数为降低趋势,而下游塔柱为上升趋势。斯托罗哈数对风向角和间距比的变化并不敏感。随着间距比增大,上游塔柱的阻力系数增大,逐渐接近单个塔柱。在间距比为4时,两个塔柱的阻力系数发生较大变化,斯托罗哈数达到最小值,此时两柱之间的大旋涡破裂,同时在两塔柱附近出现独立的旋涡。

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×104。试验结果发现串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。

为研究光滑圆柱的气动力系数和绕流特性,在均匀流中进行不同风速下的测压风洞试验,试验获得了阻力系数、升力系数、表面风压分布、风压相关性系数、斯托罗哈数等随雷诺数的变化特征,并将试验结果与以往结果进行比较。研究表明:升力系数的脉动值大于阻力系数的脉动值,说明涡脱造成的横风向激励比顺风向紊流激励剧烈;雷诺数位于临界区域时,圆柱表面风压分布呈现出对称-不对称-对称的变化过程,反映了由层流分离转化为湍流分离的全过程;在雷诺数为352000时呈现一侧为层流分离、另一侧为湍流分离的临界流态,风压呈现出左右不对称的单边泡形式;获得层流分离和湍流分离时的表面风压相关性分布特征,层流分离时圆柱同一侧的风压测点均呈较强的正相关,而湍流分离时在分离点前的区域相关性较强,分离点之后的区域相关性较弱;层流分离的升力系数

文章采用计算流体动力学软件Fluent中的SST k-ω湍流模型在雷诺数为6.8×10^4的条件下对圆柱和带圆弧圆柱的绕流情况进行二维数值模拟。首先计算了圆柱的阻力力系数与斯托罗哈数并与参考文献进行对比,以保证网格划分与边界条件的正确性。之后对不同角度下的带圆弧圆柱进行了数值计算,得到了绕流流线图、升力系数、阻力系数、斯托罗哈数、驰振力系数,并与圆柱的计算结果进行比较。研究结果表明:在不同角度下,带圆弧圆柱的模拟结果与圆柱相比差异明显;带圆弧圆柱的驰振力系数存在小于零的区域,有发生驰振的可能性。