一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法

1.本发明涉及大跨桥梁风振风险快速防控技术领域，更具体地，涉及一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法。


背景技术：

2.大跨桥梁由于细长外形、轻柔特性而成为风敏感结构。近年来，大跨桥梁在风的作用下发生剧烈振动的事例不胜枚举。相关专家均表示，这些桥梁的主梁在受到大风影响后都发生涡激振动，涡激振动是旋涡周期性脱落所引起的振动现象。由此可见，涡激振动是大跨桥梁服役阶段不容忽视的重要问题。
3.涡激振动，简称涡振，是桥梁风致振动中的一种类型。它主要有两个特点：一个是在较低风速下，比如三、四、五级风，就会发生涡振；另一个是振幅有限。这意味涡振出现的频率会比较高。虽然涡振不会像驰振、颤振一样给桥梁带来毁灭性破坏，但是频繁持续的大幅涡振不但会造成杆件裂纹、结构疲劳破坏，还会影响行人舒适性、行车安全性，甚至桥梁耐久性。因此，研发大跨桥梁涡振风险快速防控技术成为社会发展亟需面对并积极解决的现实问题。
4.当前，常用于大跨桥梁涡振控制的流动控制技术可分为：被动技术与主动技术。气动附属物(比如抑流板、稳定板等)、主梁外形优化(比如主梁开槽、调整栏杆与检修车轨道的形状和位置等)和涡流发生器等，都是目前较为频繁采用的被动流动控制技术。公告号为cn106049248b的中国发明专利公开了一种利用垂直轴风机对大跨度桥梁进行涡振控制方法，在桥梁的主梁底部设置垂直轴风机，利用垂直轴风机在来流风作用旋转后产生的水平尾流打乱主梁断面规则的漩涡脱落。上述技术方案利用风叶旋转产生的尾流打乱桥梁主梁断面规则漩涡脱落，但涡振控制效果并不适用于不同类型桥梁。现实情况中的各种影响因素都是十分复杂且不断变化的，即当实际状态偏离最初设计情形时，控制效果常常难以达到最佳，甚至产生不利于系统性能的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法，通过等离子激励器产生壁面射流，从而抑制主梁尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨桥梁主梁的涡振稳定性。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法，包括以下步骤：
8.s1.将离子激励器沿来流方向贴附在主梁下游风嘴上表面和/或下表面；
9.s2.将等离子激励器与电源连接，随后将电源与控制单元连接；
10.s3.通过控制单元调节电源，等离子体激励器接通电源之后电离近表面的空气而产生等离子体，所述等离子体在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流，抑制涡激振动。
11.进一步地，步骤s1中所述等离子激励器包括绝缘介质和非对称贴附在绝缘介质两
侧的暴露电极和掩埋电极；沿来流方向，所述暴露电极位于掩埋电极上游。
12.进一步地，步骤s1中所述等离子体激励器设置在主梁下游风嘴上表面，从风嘴上表面与主梁顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附。
13.进一步地，步骤s1中所述等离子体激励器设置在主梁下游风嘴下表面，从风嘴下表面与主梁底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
14.进一步地，所述等离子体激励器的数量不止一个，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。
15.进一步地，所述等离子体激励器等间距布置。
16.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极为铜箔材质，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm。
17.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极非对称地设置在绝缘介质两侧。
18.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极的形状为直线形、锯齿形、波浪形或矩形。
19.进一步地，所述绝缘介质为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
21.本发明通过电离经过等离子体激励器的空气产生定向射流、形成局部扰动，而不需要额外的气源，大幅降低控制系统的结构重量与复杂程度。通过改变电极形状、电极几何尺寸、绝缘介质厚度和等离子体激励器个数等参数，实现在各种复杂风场环境下都获得较优的控制效果，合理有效地抑制涡激振动。
22.本发明可以通过控制单元能够实现对装置的电气化控制，依据需求随时开启与关闭电源、调整等离子体激励器的电离强度，实现实时主动控制。
附图说明
23.图1为一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的结构示意图，
24.图2为图1中a-a截面的主梁尾缘风嘴剖面放大示意图，
25.图3为不同电极形状的等离子体激励器结构示意图；
26.其中，1为来流方向，2为主梁，3为等离子体激励器，3a为暴露电极，3b 为掩埋电极，3c为绝缘介质，3d为等离子体，3e为壁面射流，4为电源，5为控制单元，6为直线形电极，7为锯齿形电极，8为波浪形电极，9为矩形电极。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1
29.本实施例提供一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法，包括以下步骤：
30.s1.将等离子激励器3沿来流方向1贴附在主梁2下游风嘴的上表面或下表面，等离
子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质3c两侧的暴露电极 3a和掩埋电极3b；贴附时，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；
31.s2.将等离子激励器与电源连接，暴露电极3a和掩埋电极3b分别与电源4 的高压输出端和低压输出端连接，随后将电源4与控制单元5相连，同时接地；
32.s3.通过控制单元5调节电源4，等离子体激励器接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制大跨桥梁主梁1的涡激振动。
33.实施例2
34.如图1～2所示，本实施例提供一种用于实现实施例1中基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的装置，装置包括控制单元5、沿来流方向1贴附在主梁2下游风嘴上表面的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源4。本实施例中，等离子体激励器3设置在主梁2下游风嘴上表面，从风嘴上表面与主梁 2顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附。
35.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a 和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极 3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。本实施例中的电源采用低温等离子体电源，控制单元5 为电压调节装置，用于调节电压大小，通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
36.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极 3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜，厚度为0.2～2mm。
37.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨桥梁主梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
38.本实施例提供的一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的工作过程如下：当来流风速达到主梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
39.实施例3
40.本实施例提供一种用于实现实施例1中基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的装置，装置包括控制单元5、沿来流方向1贴附在主梁2下游风嘴上的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源4。与实施例1不同之处在于，本实施例中，等离子体激励器3设置在主梁2下游风嘴下表面，从风嘴下表面与主梁2底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
41.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a 和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极 3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。本实施例汇总，控制单元5为电压调节装置，用于调节电压大小，通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
42.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极 3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
43.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨桥梁主梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
44.本实施例提供的一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的工作过程如下：当来流风速达到主梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
45.实施例4
46.如图1～3所示，本实施例提供一种用于实现实施例1中基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的装置，装置包括控制单元5、沿来流方向1贴附在主梁2下游风嘴上表面或下表面的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源 4。本实施例中，等离子体激励器3同时设置在主梁2下游风嘴上表面和下表面，从风嘴上表面与主梁2顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附；从风嘴下表面与主梁2底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
47.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a 和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极 3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
48.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极 3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
49.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨桥梁主梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的
加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
50.如图3所示，本实施例中通过调整电极形状、电极几何尺寸、绝缘介质厚度和等离子体激励器个数等参数，可实现在各种复杂风场环境下较好的控制效果。具体地，暴露电极3a和掩埋电极3b的形状可以为直线形电极6、锯齿形电极7、波浪形电极8或矩形电极9。
51.本实施例提供的一种基于等离子体流动控制的桥梁主梁涡振控制方法的工作过程如下：当来流风速达到主梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制主梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
52.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
53.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。