“根据专家组初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动的原因是在特定风环境条件下，产生的桥梁涡振现象。”

什么是涡振，涡振是否有危害，涡振能否避免，智创CAE给您带来卡门涡街简单的科普。

1桥梁振动失稳案例

1）塔科马海峡大桥

塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州，1940年7月1日通车，四个月后却在18m/s的低风速下颤振而破坏，这戏剧性的一幕正好被一支摄影队拍摄了下来，该桥因此声名大噪。

桥梁损坏原因：颤振失稳

2）伏尔加格勒过河大桥振动

2010年5月19日晚，俄罗斯首都莫斯科南方的伏尔加格勒过河大桥发生离奇摆动，钢筋混凝土构建的大桥竟呈波浪形翻滚，整个桥体也出现了较为明显的左右晃动，并发出震耳欲聋的声音，正在桥上行驶的车辆也在滚动中跳动。

3）广州虎门大桥

2020 年 5 月 5 日 14 时左右，虎门大桥出现了异常振动，桥面以“波浪状”上下晃动。大桥管理部门随即启动应急预案，联合交警部门采取了双向交通管制措施。

2 卡门涡街与涡激振动

以上几组实例概括了柔性桥梁结构在风致激励下两类典型失稳形态：发展性振幅颤振和锁定振幅区间的涡振。最早在第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。

对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流动，国内外许多学者进行过大量的研究并取得了共识：决定圆柱尾流流态的是雷诺数的值，参见下表。当Re < 5时，流动不发生分离；5< Re<40时在圆柱体后面出现一对位置固定的漩涡；当40 < Re <150，漩涡扩大，然后有一个漩涡开始脱落，接着另一个也脱落，在圆柱体后面又生成新的漩涡，这样逐渐发展成两排周期性摆动和交错的漩涡，即卡门涡街(Karman vortex street)。Re <150，涡街是层流，150< Re <300时漩涡由层流向湍流转变。300< Re <3×105，称为亚临界区。此时，柱体表面上的边界层为层流，而柱体后面的涡街已完全转变为湍流，并按一定的频率发放泻涡。3×105< Re <3.5×106称为过渡区。此时，柱体表面上的边界层也转变为湍流，分离点后移，阻力显著下降，漩涡的发放不规则，发放频率是宽频率随机的。Re>3.5×106称为超临界区，此时圆柱尾流中重新建立起比较规则的准周期性发放的涡街。

3 涡激振动仿真案例

针对涡激振动的仿真模拟，常见的处理方法为将桥梁或者圆管简化为一弹簧振子系统，系统在弹簧刚度、阻尼作用下存在一定的自振频率，当流体以一定的流速掠过桥梁或者圆管，在下游区域形成周期脱落的涡，使得弹簧振子系统发生振动显现。

本案例模型如下：

模型参数及求解方法：

圆柱的结构参数取为，m=0.003575kg，圆柱直径D=0.0023878m；密度为67.44kg/m^3，自振圆频率为44.08，结构刚度为69.47。

流固耦合作用时，其振动方程可写为：

其中Ft为流体对结构的力，采用四阶龙格库塔法进行离散求解得到每个时间步对应的圆柱运动速度和位移，并通过得到的速度和位移来控制圆柱的运动和网格的更新。采用全隐式格式来处理方程可以得到函数：

通过离散得到速度与质心位置的关系式;

上式中，K1、K2、K3、K4的表达式分别为：

考虑到计算是在时域内进行的，故给定初始条件如下：

计算结果：

弹簧振子运动轨迹