结构风致振动研究"两类预测"的困境

weixin

　　《推理的迷宫》一书中关于预测的原理进行了说明：存在着两种预测。一种预测利用模型或模拟实现，我们创造出一种与预测对象本身同样复杂的研究模型;另一种预测相对比较简单，利用某种捷径完成预测。遗憾的是，我们经常不得不诉诸于模型。有些现象不允许通过捷径进行预测，找不到一种比现象本身更简单的方法或模型。

　　结构抗风研究的核心目的，是预测在自然风环境下建筑结构的响应，并给出措施将其响应控制在合理范围之内。在建筑结构抗风领域，公认的研究手段有四个，即：现场实测、风洞试验、理论模型及计算流体力学。现场实测就是对真实情况的记录，算不上预测。我个人认为，风洞试验属于类同预测，相当于在缩尺的情况下完成相同复杂度的研究;理论模型和计算流体力学对应预测手段中的捷径预测，因为二者都对复杂问题进行了某种程度上的简化。

　　风洞试验

       我国相关规范要求采用风洞试验检验待建大跨桥梁或大型冷却塔的抗风性能，或许是因为它是一种类同预测。从观念上来讲，实际结构是吹风，风洞里的模型也是吹风，风洞试验中的流固耦合现象没有经过人为简化，那么得到的结果就应该可以指导设计了吧。

　　可惜的是，问题远没有这么简单。由于大跨、高耸构筑物的尺寸较大，而风洞的尺寸有限，不可能将一座2000米长的桥或者一座200米高的冷却塔放在风洞里吹，因此模型的设计一般都要有缩尺比，模型和实际结构的尺度之差一般在两个量级，由此引发的尺度效应是风洞试验的死穴(对于飞机、汽车等较小的结构，是可以实现相同尺度的模拟的，那些领域难点就转移到对高风速的模拟了)。由于尺度效应，模型和实际结构的部分无量纲参数不可能一致，由此导致两个尺度下的结构对应流动现象大相径庭，用小模型的试验结果来预测大结构的真实振动变得十分困难。对来流的模拟也往往捉襟见肘，传统的被动风洞基本无法模拟风的全部特性，且试验模型表面的粗糙度等信息都无法实现对应，由此导致的试验误差是不可控的。

　　以桥梁为例的风振理论模型

       一般课堂上教授的经典理论认为桥梁主梁断面的振动主要可分为三类：

　　  · 颤振，均匀流下由自激力导致的气动负阻尼所引起的发散性振动。

　　  · 抖振，脉动风下由强迫力导致的限幅随机振动。


　　 · 涡振，尾流涡脱频率与结构自振频率相近导致的兼有自激、强迫两种特性的窄带振动。

　　这些振动形式是否充分且必要?它们之间有多大耦合?由我们能认识到的现象出发利用拟合得到的经验气动力模型，是否对我们暂时还没认识到的风振现象也有十足的兼容性?不得不说，这种从现象出发、分而治之的经验模型捷径具有很强的不确定性。

　　爱因斯坦和利奥波德·因费尔德提出的一个著名类比可以说明不确定性，他们在1938年写道：
　　我们绞尽脑汁希望理解客观存在，这种情况很像如下场景：一个人面对一只外壳封闭的表，他想了解表的内部机制，他看见表盘和移动的指针，甚至听到滴答的声音，但是没法打开外壳去看。如果他足够聪明，他有可能构想出一种机制，这种机制可以解释他观察到的所有现象，然而他永远不能信心十足地断定，除了他构想的机制以外其他方法都不能解释他观察到的现象。他永远无法把他的构想与实际情况相比较，他甚至无法设想这种比较可能具有什么意义。

　　在最初，我们用10个参数去表征结构的振动行为，随着我们的“吹毛求疵”，参数量慢慢增长为20个、40个、几百个，捷径预测变得越来越不那么快捷。再后来，我们干脆把输入和输出都一股脑丢给计算机，让它来帮我们建模，我们只要一个黑箱子就好了。这简直是一种宗教，我们把数据献祭给计算机之神，它赐予我们表征结构的黑箱，这黑色魔盒里有你想要的一切。信徒们要偷窥这神迹，却只看到神经元间0-1的穿梭。

　　计算流体力学

       计算流体力学在流体和固体耦合运动的步骤就开始了假定，将复杂的问题简化为有限网格内的NS方程——有限、离散这些概念一经提出必定意味着简化，意味着捷径。如果有限元趋向于无限元，时间步划为无限小，那就没问题了吧?可惜的是，我们需要面对严苛的边界条件。流线型结构的风致振动是妥妥的高雷诺数问题，惯性力对流场的影响远大于黏滞力，流体流动不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。或说，湍流即有着突出的混沌特性。

　　简单说说我个人对雷诺数的理解。雷诺数的定义为惯性力与粘滞力之比，惯性力意味着记忆效应，是从之前的时空传递而来的运动趋势，粘滞力则代表着稳定。当雷诺数很高时，粘滞力无法稳定住微小扰动带来的紊乱，流动将愈发变得复杂且不可预测。这种现象还有种更浪漫的说法：“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”从这个角度来看，若要完全再现德克萨斯州这场龙卷风，则计算域至少要划分到南美洲，计算时间至少追溯到两周前，网格至少精细到蝴蝶翅膀厚度的尺寸，边界条件至少要详细到翅膀的运动。如果雷诺数再高，则计算域要更大、计算时间要更长、网格要更密、边界条件要更细致。这简直是研究人员的噩梦。

　　从上面的说法看，要精准模拟真实的龙卷风几乎是不可能的了，但是从现象出发的模拟却有可能。你且无需管我是否是完全模拟了这龙卷风的前世今生，单看切向风速、径向风速均值的分布都与实测相符，这模拟就是有效的了。“不求真实，但求有效”，这是捷径预测的八字箴言。

　　总 结

       建筑结构风致振动的预测几乎没有捷径，想创造同样复杂度的模拟也是徒劳，但这并不意味着研究者们就要坐以待毙——不要忘记预测的目的是为了工程应用。工程师们不纠结于某时某刻结构某个构件的振动情况，而是更愿意从统计意义上分析结构的可靠度，这种预测是一种弱预测，通过弱预测与拍脑袋的安全系数，可以保证大部分结构的安全性。从强预测角度看，研究者们期待着更快、更高、更强的计算方法，他们戴着尺度和不确定性的脚镣跳舞，或许他们的宿命就是在多尺度之间游荡吧。

　　点评与寄语
　　预测不成功或精度不足，并非一定出自对于某项关键效应的非成功模拟和再现，至少还可以罗列如下几条：

　　  · 建筑结构荷载环境的随机性或不确定性，风洞试验毕竟是针对确定性的、十分简化的来流条件，真实测量的风环境参数很少可以找到类同风洞试验的来流状况;

　　  · 建筑结构作为系统，其实也具有较强的不确定性。例如随一年四季气温变化的结构频率，结构材料层面也时时面临随时间衰减的效应，更不要说与恶劣环境侵蚀相关的裂缝刚度弱化、收缩和徐变;


　　  · 最后不要忘记人的认知因素，是人就会犯错误，错误的理解、谬误的解释和昏招频出的办法...，谁敢否认哪种预测一定不会包含大量低级可笑的错误。

　　评阅人：赵林

　　(原文注：本文最初由笔者发布于ColdCat公众号，经笔者进行部分修改后转发于同济风工程公众号。这是一篇学习笔记，里面充满了笔者的无知、偏见和幼稚，恳请读者多提意见。)

　　来源：同济风工程公众号(ID：TJWindEngineering)
　　作者：赵诗宇