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摘要： 为研究螺旋线对斜拉索气动性能的影响，采用Fluent软件的LES模块对光拉索和缠绕螺旋线拉索进行数值模拟。首先，建立了光拉索和缠绕螺旋线拉索的数值计算模型，并在拉索轴向布置9个截面的风压和风速监测点；然后，采用Fluent软件的大涡模拟模块进行了数值计算；最后，在数值模拟数据的基础上，研究了螺旋线对拉索平均阻力系数、脉动升力系数、旋涡脱落频率、风压和风速的轴向相关性、绕流流场等的影响。研究结果表明：在风雨激振发生的雷诺数范围内，缠绕螺旋线能减小拉索的平均阻力系数；破坏规则的旋涡脱落，减小脉动升力系数，降低气动力在拉索轴向方向的相关性。关键词： 斜拉索； 气动力； 螺旋线； 数值模拟； 相关系数
中图分类号： U448.25文献标识码： A文章编号： 10044523（2014）04048809
引言
斜拉桥拉索的振动严重影响到斜拉索甚至斜拉桥的安全[1]。从产生原因上分类，斜拉索振动包括涡激共振、风雨激振、参数共振、高风速下的涡激共振、干索驰振和裹冰拉索驰振等[2]。已有的研究结果表明，在所有的拉索振动类型中，风雨激振的振幅最大，对斜拉索安全性的危害也最大[3～5]。风雨激振是在风和雨共同作用下斜拉索发生的大幅、低频振动，其产生与拉索表面形成的上水线有密切联系[6，7]。
为控制斜拉索振幅，研究者提出了各种控制措施，包括空气动力学措施、结构措施和阻尼器措施等[2]。其中，空气动力学措施是专门针对风雨激振提出来的，通过改变斜拉索表面的外形来阻止上水线的形成，从而达到抑制风雨激振的目的，如在拉索表面缠绕螺旋线，增加凹坑或纵向肋条等。在实际工程应用中，人们发现螺旋线的效果最好，但是，工程人员在使用这种控制措施时，常担心螺旋线会影响拉索圆形截面的气动稳定性，基于此，人们进行了系列的研究。Bosdogianni和Olivari，Flamand，Gu和Du，Zhan和Xu等在风洞中通过人工降雨试验，验证了螺旋线的有效性[4，8～10]，并对螺旋线的尺寸提出了一些建议，其中，Flamand认为螺旋线直径1.3 mm、间距300 mm时减振效果较好[9]；Gu和Du的研究结果表明[4]，螺旋线为0.5 mm时，拉索振幅反而增大，当螺旋线直径增大到1 mm时，即可有效控制风雨激振振动，另外，最佳的螺旋线间距为300 mm。林志兴和杨立波等研究了缠绕螺旋线的拉索顺桥向平均阻力系数[11]；王卫华和李明水等研究了平均阻力系数随风攻角、拉索倾角和雷诺数的关系[12]，并拟合了曲面函数。文献[11，12]的研究结果表明：在低雷诺数下（风雨激振发生的范围），缠绕螺旋线可减小平均阻力系数，但当雷诺数增加时，缠绕螺旋线会增大平均阻力系数。Rocchi和Zasso采用CFD研究了螺旋线对拉索绕流的影响[13]，结果表明：螺旋线使得拉索轴向旋涡脱落的相关性减弱。李文勃和林志兴则从理论分析的角度验证了螺旋线对拉索风雨激振的抑制效果[14]。李寿英和钟卫等进行了系统的风洞试验研究[15]，其中，螺旋线直径包括2，3和4 mm三种，间距包括200，300和600 mm三种，研究了各种尺寸的螺旋线对拉索平均和脉动气动力、旋涡脱落、轴向相关性等的影响。本文基于计算流体动力学方法，对光拉索和缠绕螺旋线拉索的气动性能进行了详细的数值模拟，研究了螺旋线对拉索平均阻力系数、脉动升力系数、旋涡脱落频率、风压和风速的轴向相关性、绕流流场的影响，验证了螺旋线对改善拉索气动性能的有效性。
1计算模型
缠绕螺旋线拉索的CFD模拟采用Fluent 商业软件中的大涡模拟（large eddy simulation， LES）模块进行。LES方法对NS方程在物理空间进行过滤，通过去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，得到大涡旋的质量和动量守恒方程：（2）从风速等值面图可以看出，气流在螺旋线处提前分离，分离点在拉索轴向不一致，旋涡脱落频率也不一致，这将导致缠绕螺旋线拉索的旋涡脱落频率的峰值不明显。
（3）螺旋线可大幅减小拉索表面的脉动风压，降低风压和尾流风速在拉索轴向方向的相关性。
从以上数值模拟可以看出，螺旋线不仅可以有效地阻止水线的形成，还改善了拉索的气动性能：减小了平均阻力系数；破坏了规则的旋涡脱落，减小了脉动升力系数，降低了气动力在拉索轴向方向的相关性。因此，在拉索表面增加螺旋线不仅不会对拉索的气动性能产生不利的影响，而且改善了拉索的气动性能。
参考文献：
[1]Watson S C， David S. Cables in trouble[J]. Civil Engineering，1988，4：38—41.
[2]Virlogeux M. Cable Vibrations in Cablestayed Bridges， Bridge Aerodynamics[M]. Balkema， Rotterdam， 1998.
[3]Hikami Y， Shiraishi N. Rainwind induced vibrations of cables in cable stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1998，29：409—418.
[4]Gu M， Du X Q. Experimental investigation of rainwindinduced vibration of cables in cablestayed bridges and its mitigation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2005，93：79—95.
中图分类号： U448.25文献标识码： A文章编号： 10044523（2014）04048809
引言
斜拉桥拉索的振动严重影响到斜拉索甚至斜拉桥的安全[1]。从产生原因上分类，斜拉索振动包括涡激共振、风雨激振、参数共振、高风速下的涡激共振、干索驰振和裹冰拉索驰振等[2]。已有的研究结果表明，在所有的拉索振动类型中，风雨激振的振幅最大，对斜拉索安全性的危害也最大[3～5]。风雨激振是在风和雨共同作用下斜拉索发生的大幅、低频振动，其产生与拉索表面形成的上水线有密切联系[6，7]。
为控制斜拉索振幅，研究者提出了各种控制措施，包括空气动力学措施、结构措施和阻尼器措施等[2]。其中，空气动力学措施是专门针对风雨激振提出来的，通过改变斜拉索表面的外形来阻止上水线的形成，从而达到抑制风雨激振的目的，如在拉索表面缠绕螺旋线，增加凹坑或纵向肋条等。在实际工程应用中，人们发现螺旋线的效果最好，但是，工程人员在使用这种控制措施时，常担心螺旋线会影响拉索圆形截面的气动稳定性，基于此，人们进行了系列的研究。Bosdogianni和Olivari，Flamand，Gu和Du，Zhan和Xu等在风洞中通过人工降雨试验，验证了螺旋线的有效性[4，8～10]，并对螺旋线的尺寸提出了一些建议，其中，Flamand认为螺旋线直径1.3 mm、间距300 mm时减振效果较好[9]；Gu和Du的研究结果表明[4]，螺旋线为0.5 mm时，拉索振幅反而增大，当螺旋线直径增大到1 mm时，即可有效控制风雨激振振动，另外，最佳的螺旋线间距为300 mm。林志兴和杨立波等研究了缠绕螺旋线的拉索顺桥向平均阻力系数[11]；王卫华和李明水等研究了平均阻力系数随风攻角、拉索倾角和雷诺数的关系[12]，并拟合了曲面函数。文献[11，12]的研究结果表明：在低雷诺数下（风雨激振发生的范围），缠绕螺旋线可减小平均阻力系数，但当雷诺数增加时，缠绕螺旋线会增大平均阻力系数。Rocchi和Zasso采用CFD研究了螺旋线对拉索绕流的影响[13]，结果表明：螺旋线使得拉索轴向旋涡脱落的相关性减弱。李文勃和林志兴则从理论分析的角度验证了螺旋线对拉索风雨激振的抑制效果[14]。李寿英和钟卫等进行了系统的风洞试验研究[15]，其中，螺旋线直径包括2，3和4 mm三种，间距包括200，300和600 mm三种，研究了各种尺寸的螺旋线对拉索平均和脉动气动力、旋涡脱落、轴向相关性等的影响。本文基于计算流体动力学方法，对光拉索和缠绕螺旋线拉索的气动性能进行了详细的数值模拟，研究了螺旋线对拉索平均阻力系数、脉动升力系数、旋涡脱落频率、风压和风速的轴向相关性、绕流流场的影响，验证了螺旋线对改善拉索气动性能的有效性。
1计算模型
缠绕螺旋线拉索的CFD模拟采用Fluent 商业软件中的大涡模拟（large eddy simulation， LES）模块进行。LES方法对NS方程在物理空间进行过滤，通过去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，得到大涡旋的质量和动量守恒方程：（2）从风速等值面图可以看出，气流在螺旋线处提前分离，分离点在拉索轴向不一致，旋涡脱落频率也不一致，这将导致缠绕螺旋线拉索的旋涡脱落频率的峰值不明显。
（3）螺旋线可大幅减小拉索表面的脉动风压，降低风压和尾流风速在拉索轴向方向的相关性。
从以上数值模拟可以看出，螺旋线不仅可以有效地阻止水线的形成，还改善了拉索的气动性能：减小了平均阻力系数；破坏了规则的旋涡脱落，减小了脉动升力系数，降低了气动力在拉索轴向方向的相关性。因此，在拉索表面增加螺旋线不仅不会对拉索的气动性能产生不利的影响，而且改善了拉索的气动性能。
参考文献：
[1]Watson S C， David S. Cables in trouble[J]. Civil Engineering，1988，4：38—41.
[2]Virlogeux M. Cable Vibrations in Cablestayed Bridges， Bridge Aerodynamics[M]. Balkema， Rotterdam， 1998.
[3]Hikami Y， Shiraishi N. Rainwind induced vibrations of cables in cable stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1998，29：409—418.
[4]Gu M， Du X Q. Experimental investigation of rainwindinduced vibration of cables in cablestayed bridges and its mitigation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2005，93：79—95.