大質(zhì)量-阻尼圓柱渦激振動及其抑制的試驗研究.pdf

1、圓柱形結(jié)構(gòu)廣泛存在于多種涉及空氣動力學(xué)及水動力學(xué)的工程領(lǐng)域，如建筑工程、機(jī)械動力工程和海洋工程等。一定流速的流體流經(jīng)圓柱，將在圓柱尾跡產(chǎn)生周期性旋渦脫落，引起圓柱渦激振動現(xiàn)象。當(dāng)旋渦脫落頻率與圓柱結(jié)構(gòu)的自然頻率接近或一致時，引起渦激共振。圓柱在持續(xù)的大幅振動下將產(chǎn)生疲勞破壞，甚至帶來嚴(yán)重事故。因此，非常有必要研究圓柱渦激振動及其抑制。
　　迄今，低質(zhì)量阻尼系數(shù)（質(zhì)量-阻尼）圓柱渦激振動及其抑制研究較多，大質(zhì)量阻尼系數(shù)相關(guān)問題研究很

2、少。本文建立了流動可視化測試系統(tǒng)和振動測試系統(tǒng)。流動可視化測試技術(shù)被用來顯示圓柱和抑制裝置的旋渦結(jié)構(gòu)。兩個激光位移傳感器測量順流向及垂直流向的位移，并由同步位移測量系統(tǒng)高速地同步采集位移信號。運用風(fēng)洞試驗研究了以空氣為介質(zhì)的大質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱渦激振動，并研究了不同抑制裝置整流罩、分離盤、螺旋導(dǎo)板和附屬絨毛等對圓柱渦激振動的抑制。
　?。?）首先研究了相對較低質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱（m*ζ=0.41）渦激振動，其次利用流動可視化技術(shù)測量固

3、定支撐圓柱的流動狀態(tài)，并對比試驗結(jié)果與經(jīng)典試驗結(jié)果，驗證了試驗方法的可靠性。進(jìn)一步研究圓柱渦激振動，得出在本文試驗條件下大質(zhì)量阻尼系數(shù)（m*ζ=1.415）圓柱渦激振動處于第二峰值、其傾斜橢圓軌跡及尾渦無規(guī)則卡門渦街的結(jié)論。
　?。?）研究了整流罩形狀夾角對大質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱渦激振動抑制效果的影響。整流罩可有效降低圓柱振幅、減小其共振區(qū)，形狀夾角為60°的整流罩具有最佳抑制效果，可抑制圓柱渦激振動76%的垂直流向無因次振幅；整流罩

4、可改變原始圓柱功率譜密度，使振動能量降低，振動減弱，證明整流罩對圓柱渦激振動的抑制作用。
　?。?）研究了分離盤無因次長度對大質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱渦激振動抑制效果的影響。振幅響應(yīng)及流動可視化結(jié)果表明，L/D=0.25和0.5等短分離盤可抑制圓柱渦激振動振幅并使共振區(qū)變窄，但其振幅響應(yīng)及流動可視化結(jié)果與原始圓柱相似，抑制效果有限；L/D=0.75、1.0和1.25等中等長度分離盤可通過改變旋渦結(jié)構(gòu)和脫落頻率而抑制圓柱渦激振動，在垂直流向

5、和順流向可分別抑制多達(dá)78%和67%的無因次振幅，不同分離盤之間抑制效率接近，振幅響應(yīng)相互之間無明顯區(qū)別；L/D=1.5和1.75等長分離盤在測試范圍內(nèi)可有效抑制圓柱渦激振動的無因次振幅，但當(dāng)約化速度達(dá)到一定值后，觀測到超越傳感器測試范圍的“馳振”現(xiàn)象。
　?。?）研究了螺旋導(dǎo)板結(jié)構(gòu)參數(shù)對大質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱渦激振動抑制效果的影響。流動可視化結(jié)果表明，螺旋導(dǎo)板可通過改變邊界層分離點位置、抑制剪切層相互作用，并改變旋渦結(jié)構(gòu)和渦脫頻率而

6、有效抑制圓柱渦激振動；與原始圓柱振幅相比，圓柱附屬螺旋導(dǎo)板振幅非常小，且圓柱附屬螺旋導(dǎo)板振幅響應(yīng)無明顯共振區(qū)；螺距為P=17.5D和P=5D的“□”型螺旋導(dǎo)板抑制效率接近，且較P=10 D的“□”型螺旋導(dǎo)板抑制效果稍好；“D”型螺旋導(dǎo)板較“□”型螺旋導(dǎo)板的抑制效率明顯提高，且隨著鰭高的降低和覆蓋率的增加，無因次振幅降低，抑制效果增強(qiáng)，而螺距對抑制效果影響不大；“D”型P=5D，h=0.14D螺旋導(dǎo)板具有最佳抑制效果，可抑制85%的垂直流

7、向無因次均方根振幅，最大抑制效率在Ur=20，達(dá)98%；功率譜密度受鰭高和螺距的影響明顯，圓柱附屬螺旋導(dǎo)板的功率譜密度量級遠(yuǎn)小于原始圓柱的功率譜密度量級，且峰值較多，這意味著螺旋導(dǎo)板可有效阻止兩側(cè)剪切層的相互作用，并抑制旋渦脫落。
　?。?）研究了附屬絨毛無因次長度對大質(zhì)量阻尼系數(shù)圓柱渦激振動抑制效果的影響。流動可視化結(jié)果表明，絨毛可隨旋渦自由擺動，從而實現(xiàn)對尾渦的柔性控制。附屬絨毛可通過改變邊界層分離點位置、邊界層性質(zhì)、抑制剪切

8、層相互作用，并改變旋渦結(jié)構(gòu)和渦脫頻率而抑制圓柱渦激振動；附屬絨毛可有效降低圓柱渦激振動的無因次振幅并使共振區(qū)變窄，且隨著絨毛長度的增加圓柱附屬絨毛無因次均方根振幅降低。圓柱附屬L/D=1.8絨毛的振幅響應(yīng)無明顯共振區(qū)，但L/D=0.6~1.8D的附屬絨毛抑制效果差別不大；功率譜密度受絨毛長度的影響明顯，附屬絨毛的功率譜密度遠(yuǎn)小于原始圓柱的功率譜密度。
　　綜上所述，分析研究四種抑制裝置的抑制效果，在本文試驗條件下，優(yōu)化各種抑制裝置