本發(fā)明屬于軍事、海洋、土木及橋梁工程領(lǐng)域，涉及一種串列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法。

背景技術(shù)：

圓柱體繞流及其渦激振動(dòng)問題(vortex-inducedvibration，簡(jiǎn)稱viv)是一種涉及流固耦合在多種場(chǎng)合都可能發(fā)生的物理現(xiàn)象。渦激振動(dòng)發(fā)生在許多工程領(lǐng)域，如橋梁、煙囪、電力傳輸線、飛行器表面控制、海洋結(jié)構(gòu)物、熱電偶套管、發(fā)動(dòng)機(jī)、熱交換器、海洋電纜、拖曳纜繩、鉆井與生產(chǎn)隔水管、錨泊纜繩、錨泊結(jié)構(gòu)、束縛結(jié)構(gòu)、浮船及立柱船體、管線、電纜鋪設(shè)、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)桿件以及其他水力學(xué)、水聲學(xué)中的應(yīng)用。

在深海工程、土木橋梁工程領(lǐng)域，圓柱體結(jié)構(gòu)是工程上應(yīng)用最多、最廣泛的一種結(jié)構(gòu)物，這些領(lǐng)域里有很對(duì)結(jié)構(gòu)物都可以看成是雙圓柱體或多圓柱體結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流繞過圓柱體時(shí)，在一定流動(dòng)工況下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)物后旋渦脫落的現(xiàn)象，交替產(chǎn)生的周期性的旋渦會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)物與來流垂直方向上產(chǎn)生周期性變化的流體作用力，即所謂的橫向力或升力，致使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生振動(dòng)，特別當(dāng)流體作用力的周期與圓柱體固有頻率接近時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)物損壞，即圓柱體的渦激振動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于串列排列的雙圓柱體來說，由于一個(gè)圓柱體位于另一個(gè)圓柱體的尾流內(nèi)，這時(shí)作用在下游圓柱體的流體的流速降低，其振動(dòng)特性會(huì)顯現(xiàn)出極大的不同，這種現(xiàn)象被稱為“掩蔽效應(yīng)”；上游圓柱體由于下游圓柱體的存在，受到較低流速的來流的作用，這種現(xiàn)象被稱為“堵塞效應(yīng)”，從而使得兩個(gè)圓柱體相對(duì)于單個(gè)圓柱體繞流，表現(xiàn)出了極大不同的振動(dòng)特性。

串列雙圓柱繞流的流型、流場(chǎng)特性等與單圓柱繞流相比更加復(fù)雜，它除了受re數(shù)的影響外，還受制于兩圓柱的中心距比p/d，如圖1所示，其中p是兩圓柱中心的間距，d是圓柱的直徑。隨p/d的不同，圖2給出了串列雙圓柱尾流有三類基本流型：1.單鈍體流型，亦稱延伸體流型(1<p/d<2)；2.再附流型，亦稱雙穩(wěn)態(tài)流型(2<p/d<5)；3.共脫落流型(5<p/d)。其中，再附流型根據(jù)上游圓柱剪切層在下游圓柱再附的位置不同(下游圓柱迎流面或背流面)又分為前緣再附(2<p/d<3)與后緣再附(3<p/d<5)兩種流型。

串列雙圓柱體尾流控制不但能消除其渦激振動(dòng)，提升結(jié)構(gòu)的使用性能與壽命，而且也能抑制鈍體的流向阻力與流動(dòng)噪聲等不利影響。對(duì)于我們國家而言，在未來很長(zhǎng)的一段時(shí)間的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中將不可避免地面臨串列雙圓柱的渦激振動(dòng)及其控制問題。

目前雖然已有并列排列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法，但是并列排列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法并不適用在串列排列雙圓柱體渦激振動(dòng)消減上并且在并列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法不好的情況下串列雙圓柱渦激振動(dòng)的消減方法會(huì)更好。首先，將并列雙圓柱體套層上的噴射角應(yīng)用在串列雙圓柱體的套層噴射角上并不能有效的消減串列排列雙圓柱體的渦激振動(dòng)，串列排列雙圓柱體中的下游圓柱體始終受到上游圓柱體尾流的干擾，因此下游圓柱體套層噴射角要更大即附加一定的角度。其次，由于尾流控制的引入會(huì)使雙圓柱體并列排列的情況下原本相互獨(dú)立的尾流發(fā)生耦合，特別是單鈍體流型(1<p/d<1.1～1.2)的實(shí)際re數(shù)相比單圓柱要高出近一倍，這種情況在雙圓柱體串列排列的情況下并不會(huì)發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前串列雙圓柱體渦激振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的不足，提供了一種串列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法。

本發(fā)明通過沿上游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的一側(cè)壁面指向下游的切線方向、下游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的另一側(cè)壁面指向下游的切線方向穩(wěn)定地向振動(dòng)圓柱的尾流噴射流體，對(duì)串列雙圓柱體橫截面兩側(cè)的邊界層、回流區(qū)進(jìn)行調(diào)整，利用噴射流體的流動(dòng)調(diào)制將邊界層的分離及發(fā)展控制在近尾流一個(gè)很小的范圍內(nèi)，以減小串列雙圓柱在繞流中產(chǎn)生的逆壓梯度，避免或限制邊界層的分離，進(jìn)而使原本周期性脫落的旋渦及其增強(qiáng)、演化構(gòu)成的尾流大渦結(jié)構(gòu)在噴射流體的作用下消減或消失、失去周期性，達(dá)到消減或抑制串列雙圓柱渦激振動(dòng)的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明方法是在串列雙圓柱體渦激振動(dòng)的待消減段上分別設(shè)置一圓筒形套層，在套層上開多個(gè)噴氣孔，噴氣孔方向沿上游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的一側(cè)壁面指向下游的切線方向、下游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的另一側(cè)壁面指向下游的切線方向。上游圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為α，下游圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)；其中α為上游圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向間的夾角，α為10°～60°，β為5°～30°。套層的兩端與圓柱體表面密封連接，然后向套層與圓柱之間所形成的空間內(nèi)不間斷地充入壓強(qiáng)為p的流體，該流體通過噴氣孔向外切向噴射后即可同時(shí)消減串列雙圓柱的渦激振動(dòng)；其中p＝p0+p1，p0為噴氣孔所受的最大環(huán)境壓力，p1為0.4～4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

所述的流體為空氣、水或空氣與水的混合物。

所述的串列雙圓柱的中心距p為0.01d～5d。

所述的套層與圓柱為同軸設(shè)置，且套層與圓柱之間所形成的空間為圓環(huán)柱。

所述的套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個(gè)噴氣孔。

所述的套層壁厚為0.02d～0.12d。

所述的噴氣孔直徑為0.01d～0.1d，兩個(gè)相鄰噴氣孔的中心距為0.01d～0.5d，噴氣孔分布在串列雙圓柱體相異兩側(cè)，上游圓柱噴氣孔開孔方向與來流方向夾角為α，下游圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)；其中，α為10°～60°，β為5°～30°，β角的大小由α角的選取來決定，即β＝k·α，k為0.3～0.5是串列雙圓柱體渦激振動(dòng)消減方法所特有的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，k的取值直接影響到串列雙圓柱體渦激振動(dòng)消減的效率。

所述的套層與圓柱之間的間隙距離為0.02d～0.2d，其中d表示圓柱的截面直徑。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是：

1、針對(duì)串列雙圓柱體受水流或氣流作用而發(fā)生的渦激振動(dòng)，流體源同時(shí)向兩圓柱體的套層內(nèi)提供一個(gè)均勻的正壓，由噴氣孔沿上游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的一側(cè)壁面指向下游的切線方向，下游圓柱體噴氣孔沿遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的另一側(cè)壁面指向下游的切線方向，以一定的角度向圓柱體尾流噴射流體。利用兩股噴射的流體對(duì)串列雙圓柱的兩外側(cè)邊界層進(jìn)行調(diào)制，將邊界層的分離與發(fā)展限制在一個(gè)很小的近尾流區(qū)域，最大限度地減小串列雙圓柱在繞流中產(chǎn)生的逆壓梯度，避免或減緩剪切邊界層的分離，從而有效抑制尾流中旋渦脫落的發(fā)生，達(dá)到消除或消減串列雙圓柱體周期性流體振蕩力的目的。

2、本發(fā)明適用性較強(qiáng)，可以控制不同中心距、不同基本流型的串列雙圓柱體的尾流，針對(duì)不同的流體、來流速度及圓柱體直徑(即不同的雷諾數(shù))，只需對(duì)流體源的壓力或噴氣孔角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，噴氣孔的角度只需旋轉(zhuǎn)套層即可，方便快捷；來流方向發(fā)生改變時(shí)，只需同步同向旋轉(zhuǎn)兩圓柱體套層，從而避免調(diào)整圓柱體結(jié)構(gòu)本身，具有更強(qiáng)的可行性，省時(shí)省力。

3、本發(fā)明相比于已有的并列排列雙圓柱體渦激振動(dòng)的消減方法不會(huì)因尾流控制的引入而致使原本相互獨(dú)立的尾流發(fā)生耦合。另外，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于并不是簡(jiǎn)單的將并列排列雙圓柱體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變成串列排列雙圓柱體，而是根據(jù)串列雙圓柱體實(shí)際應(yīng)用中所面臨下游圓柱體除了來流的渦激振動(dòng)外還會(huì)受上游圓柱體尾流的影響，所以下游圓柱體套層的噴射角需要在上游圓柱體套層噴射角的基礎(chǔ)上附加一個(gè)β角。

附圖說明

圖1是串列雙圓柱繞流的示意圖；

圖2是串列雙圓柱體尾流基本流型的示意圖；

圖3是本發(fā)明控制雙圓柱體尾流控制方案的整體示意圖；

圖4是圓柱體1縱向剖面圖5的b－b剖面的剖示圖；

圖5是圓柱體1橫向剖面圖4的a－a剖面的剖示圖；

圖6是p＝2d應(yīng)用本方法控制前串列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；

圖7是p＝2d應(yīng)用本方法控制后串列雙圓柱體尾流的跡線分布圖。

具體實(shí)施方式

如圖3-圖5所示，本發(fā)明方法是在串列雙圓柱體1、2周期性振蕩力的待消減段上分別設(shè)置一圓筒形套層3、4，在套層上各開多個(gè)噴氣孔5、6，套層的兩端分別與對(duì)應(yīng)的圓柱體表面密封連接，外接的流體源7通過精密減壓閥8及連接管9向套層與圓柱之間所形成的空間內(nèi)連續(xù)地充入壓強(qiáng)為p的流體，使得噴出的流體速度大小為定常來流速度的3～20倍。其中p＝p0+p1，p0為噴氣孔所受的最大環(huán)境壓力，p1為0.4～4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。u∞為來流速度，ue為噴射孔的出口速度。

套層與圓柱為同軸設(shè)置，使得套層與圓柱之間所形成的空間為圓環(huán)柱，套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個(gè)切向噴氣孔。

充入的流體可選空氣、水或空氣與水的混合物。

套層壁厚d為0.02d～0.12d。

噴氣孔直徑為0.01d～0.1d，兩個(gè)相鄰噴氣孔的中心距l(xiāng)為0.05d～0.5d，噴氣孔分布在串列雙圓柱體相異兩側(cè)。

套層與圓柱之間的間隙距離為0.02d～0.2d，其中d表示圓柱體的截面直徑。

本發(fā)明尾流控制方案的主干管路由流體源提供一個(gè)穩(wěn)定正壓，再經(jīng)兩個(gè)支路的精密減壓閥精確控制套層與圓柱體之間的密閉空間的壓力，使得向尾流噴射的流體的出口速度大小為來流速度的3～20倍。由此調(diào)整串列雙圓柱橫向兩側(cè)的邊界層、串列雙圓柱之間的回流區(qū)、下游圓柱的回流區(qū)，增強(qiáng)其抵抗逆壓梯度的能力及破壞卡門渦街的二維展向相關(guān)性，從而抑制漩渦的產(chǎn)生，消減圓柱的周期性交變荷載。若來流的方向發(fā)生變化，如風(fēng)向或洋流方向改變時(shí)，只需將兩套層同向旋轉(zhuǎn)相同的角度，上游圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為α，保持噴氣孔的方位角α為10°～60°，下游圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)，α為10°～60°，β為5°～30°，便有效地消減兩圓柱的周期性交變荷載。

以下結(jié)合實(shí)驗(yàn)給出應(yīng)用本發(fā)明控制串列雙圓柱振蕩力的實(shí)例。對(duì)處于均勻流中單鈍體基本流型下的串列雙圓柱模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。單鈍體基本流型對(duì)應(yīng)的中心距取2d，串列雙圓柱與來流方向垂直。圓柱體的長(zhǎng)度為600mm，直徑d為20mm。套層兩端都有蓋板密封，兩端固定。套層的外直徑30mm，內(nèi)直徑為25mm，長(zhǎng)度為600mm；沿上游圓柱套層橫截面遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的一側(cè)壁面指向下游的切線方向，下游圓柱體噴氣孔沿遠(yuǎn)離兩圓柱體流向?qū)ΨQ中心面的另一側(cè)壁面指向下游的切線方向各開有一列等間距的噴氣孔，其直徑為1mm，相鄰噴氣孔間距為5mm，上游圓柱套層的噴氣孔方向與來流方向的夾角為20°，下游圓柱套層的噴氣孔方向與來流的夾角為30°；定常來流速度為4m/s。

圖6給出了應(yīng)用本發(fā)明前，小間距(re＝4000，p/d＝2)串列雙圓柱的單鈍體尾流流型的準(zhǔn)瞬態(tài)跡線分布圖。此時(shí)尾流中存在清晰可見的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)，這表明兩圓柱受到較大的振蕩力的作用且受力不一。應(yīng)用本發(fā)明后，由上述兩圓柱體的噴氣孔陣列向其尾流噴射流體。套層內(nèi)的壓力為高出環(huán)境壓力0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，噴射流體的出口速度約為25m/s，相對(duì)噴射流量為0.06。這里引入用于直觀表征尾流控制效率的相對(duì)噴射流量q＝qe/u∞·d1·b，qe為套層噴射出口總流量，d1為套層直徑，b為噴射孔的展向分布跨度，相對(duì)噴射流量越小說明控制效率越高。依圖7可知，應(yīng)用本發(fā)明方法后(α＝50°，β＝10°，p1＝12.5psi，q＝0.06)，串列雙圓柱體尾流的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)在噴射流體的剪切下已基本消失，兩圓柱所受周期性交變荷載得到有效消減，結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能因此提高。

本發(fā)明方法可以有效控制中等雷諾數(shù)到高雷諾數(shù)、不同間距及基本流型的串列雙圓柱體的尾流，消減其流體振蕩力與渦激振動(dòng)。