一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法。本發(fā)明方法是在并列雙圓柱體渦激振動的待消減段上分別設(shè)置一圓筒形套層，沿套層橫截面外側(cè)內(nèi)壁面指向下游的切線方向，在套層展向上開多個噴氣孔，兩圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角 ɑ 大小一致，方向相反；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消減并列雙圓柱的渦激振動。本發(fā)明利用噴射流體的交匯將邊界層的分離及發(fā)展控制在近尾流一個很小的范圍內(nèi)，進(jìn)而使原本周期性脫落的旋渦及其構(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)到消減或抑制并列雙圓柱渦激振動的目的。
【專利說明】一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋、土木及橋梁工程領(lǐng)域，涉及一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圓柱體繞流及其禍激振動問題(Vortex-1nDuceD Vibrat1n,簡稱VIV)廣泛存在于橋梁工程、建筑工程、能源工程、航空航天工程等領(lǐng)域，例如橋梁拉索及橋墩、高空及海底電纜、海底石油管線、遠(yuǎn)洋鉆井平臺臺柱、高層建筑、核反應(yīng)堆中的換熱器等都是這類問題。當(dāng)流體以一定的速度繞過圓柱體時，會周期性地交替產(chǎn)生旋渦，形成著名的卡門渦街。旋渦交替產(chǎn)生使得圓柱體受到橫向(垂直于來流方向)的交變流體作用力，一旦流體作用力的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相一致將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物發(fā)生共振，使結(jié)構(gòu)振幅劇增而破壞。例如1940年美國的塔科馬橋便因渦激振動頻率恰好達(dá)到其固有頻率，發(fā)生共振而倒塌。因此，流體對物體誘發(fā)的振動將嚴(yán)重影響該類結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。由流體流動引起的物體振動現(xiàn)象除旋渦脫落外，還可能因流體自身脈動及來流壓力不穩(wěn)定等因素造成，但其中最主要的原因還是物體尾流中的周期性旋渦脫落。
[0003]在工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)常以成對圓柱、圓柱陣列出現(xiàn)，并列雙圓柱作為這類這類結(jié)構(gòu)最為簡化的基本模型，消減其渦激振動是預(yù)防渦激振動破壞這類結(jié)構(gòu)、延長結(jié)構(gòu)使用壽命、提高結(jié)構(gòu)安全性的重要基礎(chǔ)。
[0004]并列雙圓柱繞流的流型、流場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T/D，如圖1a所示，其中T是兩圓柱中心的間距，D是圓柱的直徑。隨T/D的不同，圖1b給出了并列雙圓柱尾流有三類基本流型:1.單鈍體流型(1〈T/D〈1.1-1.2) ；2.偏流流型，亦稱雙穩(wěn)態(tài)流型(1.1-1.2〈T/D〈2_2.2) ；3.平行渦街流型，也稱雙渦街流型(2-2.5〈T/D)。
[0005]并列雙圓柱體尾流控制不但能消除其渦激振動，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噪聲等不利影響。對于我們國家而言，在未來很長的一段時間的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中將不可避免地面臨并列雙圓柱的渦激振動及其控制問題，故本發(fā)明方法的意義與應(yīng)用前景是顯而易見的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對目前并列雙圓柱體渦激振動主動控制技術(shù)的不足，提供了一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法。該方法通過沿兩圓柱橫截面的外壁面切向方向?qū)ΨQ穩(wěn)定地向振動圓柱的尾流噴射流體，對雙圓柱體橫截面兩外側(cè)的邊界層、回流區(qū)進(jìn)行調(diào)整，以減小并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。利用噴射流體的交匯將邊界層的分離及發(fā)展控制在近尾流一個很小的范圍內(nèi)，進(jìn)而使原本周期性脫落的旋渦及其構(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)到消減或抑制并列雙圓柱禍激振動的目的。
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明方法是在并列雙圓柱體渦激振動的待消減段上分別設(shè)置一圓筒形套層，沿套層橫截面外側(cè)內(nèi)壁面指向下游的切線方向，在套層展向上開多個噴氣孔，兩圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角α大小一致，方向相反，即噴氣孔關(guān)于雙圓柱的流向中心面對稱分布；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消減并列雙圓柱的渦激振動；其中為噴氣孔軸線方向與來流方向間的夾角為20°?60°，P = Po+Pi, P。為噴氣孔所受的最大環(huán)境壓力，P 0.4?4個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
[0008]所述的流體為空氣、水或空氣與水的混合物。
[0009]所述的并列雙圓柱的中心距T為1.1D?3.
[0010]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。套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個噴氣孔。
[0011]所述的套層壁厚為0.02D?0.12D。
[0012]所述的噴氣孔直徑為0.0lD?0.1D，兩個相鄰噴氣孔的中心距為0.05D-0.相對于來流方向，噴氣孔分別靠并列圓柱體外側(cè)，噴氣孔開孔方向與套層截面內(nèi)壁面指向下游的切線方向平行、與來流方向成20°?60°的夾角，兩套層的噴氣孔關(guān)于來流方向?qū)ΨQ布置。
[0013]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。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是:
[0015]1、針對并列雙圓柱體受水流或氣流作用而發(fā)生的渦激振動，流體源同時向兩圓柱體的套層內(nèi)提供一個均勻的正壓，由噴氣孔沿并列圓柱體的套層內(nèi)壁面外側(cè)切向，以一定的角度向圓柱體尾流噴射流體。利用兩股噴射流體的交匯對并列雙圓柱的外側(cè)邊界層進(jìn)行控制，將邊界層的分離與發(fā)展限制在一個很小的近尾流區(qū)域，最大限度地減小并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)到消除或消減并列雙圓柱體周期性流體振蕩力的目的。
[0016]2、本方法適用性較強(qiáng)，可以控制不同中心距、不同基本流型的并列雙圓柱體的尾流，針對不同的流體、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，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，省時省力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1a是并列雙圓柱繞流的示意圖；
[0018]圖1b是并列雙圓柱體尾流基本流型的示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明控制雙圓柱體尾流控制方案的整體示意圖；
[0020]圖3是圓柱體I縱向剖面圖4的B — B剖面的剖示圖；
[0021]圖4是圓柱體I橫向剖面圖3的A — A剖面的剖示圖；
[0022]圖5是T = 1.1D應(yīng)用本方法控制前并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0023]圖6是T = 1.1D應(yīng)用本方法控制后并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0024]圖7是T = 1.6D應(yīng)用本方法控制前并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0025]圖8是T = 1.6D應(yīng)用本方法控制后并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0026]圖9是T = 3D應(yīng)用本方法控制前并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0027]圖10是T = 3D應(yīng)用本方法控制后并列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
[0028]圖11是高雷諾數(shù)下T = 1.1D應(yīng)用本方法控制前并列雙圓柱體尾流的時流場均流線圖；
[0029]圖12是高雷諾數(shù)下T = 1.1D應(yīng)用本方法控制后并列雙圓柱體尾流的時均流場流線圖。

【具體實施方式】
[0030]如圖2-圖4所示，本發(fā)明方法是在并列雙圓柱體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，在套層上各開多個噴氣孔5、6，套層的兩端分別與對應(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 = Ρο+Ρρ P。為噴氣孔所受的最大環(huán)境壓力，P:為0.4?4個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。U00為來流速度，Ue為噴射孔的出口速度。
[0031]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切向噴氣孔。
[0032]充入的流體可選空氣、水或空氣與水的混合物。
[0033]套層壁厚D為0.02D?0.12D。
[0034]噴氣孔直徑為0.0lD?0.1D，兩個相鄰噴氣孔的中心距L為0.05D?0.5D，噴氣孔開孔方向與來流方向平行。
[0035]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。
[0036]當(dāng)T/D〈l.1-1.2時，并列雙圓柱的尾流中只存在一組卡門渦街，該渦街由雙圓柱外側(cè)的分離剪切層構(gòu)成，與單圓柱體尾流不同的是，兩圓柱之間存在一個很小的間隙，部分來流會穿過這個縫隙(以下稱間隙流)與背部排氣流型類似，特別是當(dāng)來流動量較大時，間隙流將攜帶更大的動量射入尾流，從而增加尾流低壓區(qū)的壓力，減小圓柱阻力，同時尾流流向區(qū)域也隨之?dāng)U大，但是旋渦脫落頻率并無明顯變化，間隙流在這個T/D范圍內(nèi)有時平行于來流，但是更多時候會偏向某一圓柱，導(dǎo)致兩圓柱受到的振蕩力有很大差別，而且所受振蕩力的大小與頻率會隨機(jī)轉(zhuǎn)換。當(dāng)1.1-1.2<T/D<2-2.2時，雙圓柱的尾流為不對稱的偏流流型，間隙流此時偏向兩圓柱之一，近尾流因此被分為一寬一窄兩個尾流。位于窄尾流的圓柱旋渦脫落頻率更高，阻力系數(shù)更大，且間隙流有時會間歇性地隨機(jī)從偏向一圓柱轉(zhuǎn)而偏向另一圓柱，并保持一定的時長，該時長一般高出渦脫落周期數(shù)個數(shù)量級，故偏流流型亦稱為雙穩(wěn)態(tài)流型。當(dāng)工程中的圓柱體結(jié)構(gòu)物如此布置時，與單圓柱相比，長期處于窄尾流的結(jié)構(gòu)物將更易于破壞，結(jié)構(gòu)物的使用壽命也將縮短。隨著T/D的增大，間隙流的偏轉(zhuǎn)程度將減小，直到T/D>2-2.2，并列雙圓柱各自的尾流形成一組卡門渦街，兩渦街平行。因此，兩圓柱受到的流體振蕩力振幅與頻率一致，但在相位上兩者存在同相位和反相位兩種類型，隨著雷諾數(shù)和中心距比的不同，兩種相位類型之間也會相互轉(zhuǎn)換。
[0037]針對上述問題，本發(fā)明尾流控制方案的主干管路由流體源提供一個穩(wěn)定正壓，再經(jīng)兩個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?15倍。由此調(diào)整并列雙圓柱外側(cè)的邊界層、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，消減圓柱的交變載荷。若來流的方向發(fā)生變化，如風(fēng)向或洋流方向改變時，只需將兩套層同向旋轉(zhuǎn)相同的角度，保持噴氣孔的方位角α為20°?60°，兩圓柱的方位角大小相等、方向相反便有效地消減兩圓柱的交變荷載。
[0038]以下結(jié)合實驗給出應(yīng)用本發(fā)明控制并列雙圓柱振蕩力的實例。對處均勻流中三種基本流型下的并列雙圓柱模型進(jìn)行實驗。三種基本流型對應(yīng)的中心距分別取1.1D、1.6D、3D ο實驗時，由風(fēng)洞提供均勻的流場來模擬定常的來流，圓筒形套層水平放置于風(fēng)洞的實驗段，其縱向跨度方向與來流方向垂直。圓柱體的長度為600_，直徑D為20_。套層兩端都有蓋板密封，套層貫穿風(fēng)洞的試驗段，兩端固定在風(fēng)洞的壁面上。套層的外直徑30mm，內(nèi)直徑為25mm，長度為600mm ;兩套層距流向中心面靠外側(cè)切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，兩套層的噴氣孔方向與來流方向的夾角大小相等、方向相反；定常來流速度為2m/s-10m/s。
[0039]圖5給出了應(yīng)用本發(fā)明前，小間距(Re = 4000，T/D = 1.1)并列雙圓柱的單鈍體尾流流型的準(zhǔn)瞬態(tài)跡線分布圖。此時尾流中存在清晰可見的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)與向上偏轉(zhuǎn)的小間隙流，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0.8個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，噴射流體的出口速度約為25m/s，相對噴射流量為0.06。這里引入用于直觀表征尾流控制效率的相對噴射流量q = Qyuo0.D1.B，Qe為套層噴射出口總流量，D i為套層直徑，B為噴射孔的展向分布跨度，相對噴射流量越小說明控制效率越高。其它排吸流體的尾流控制方法q—般在0.5?2甚至更高。依圖6可知，應(yīng)用本發(fā)明方法后(α =50° ,P1=I^SpsLq=0.06)，并列雙圓柱體尾流的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)在噴射流體的交匯下已基本消失，兩圓柱所受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。圖7與圖8分別給出了中等間距的雙圓柱(Re = 4000，T/D = 1.6)，應(yīng)用本發(fā)明前后(α = 50° , q = 0.046, P1 =6.25psi)的圓柱體尾流的跡線分布圖。對比分析圖7與圖8可知，應(yīng)用本發(fā)明方法同樣可以很好地抑制漩渦的產(chǎn)生、脫落，進(jìn)而有效地消減作用在圓柱體上的流體振蕩力。圖9與圖10分別給出了大間距的雙圓柱(Re = 4000，T/D = 3)，應(yīng)用本發(fā)明前后(α =50°，q =0.083, P1= 18.75psi)的圓柱體尾流的跡線分布圖。由圖可知，采用本發(fā)明方法同樣可以控制大間距并列雙圓柱尾流，有效地消減作用在圓柱體上的流體振蕩力。
[0040]高雷諾數(shù)下(風(fēng)速10m/s，Re = 20000，T/D = 1.1)，應(yīng)用本發(fā)明方法前后的時均尾流流線圖如圖11與圖12所示。當(dāng)α =20°，q。= 0.014，P i= 18.75psi，應(yīng)用本發(fā)明前的回流區(qū)內(nèi)大小兩個尾流的旋渦結(jié)構(gòu)很快被消減至很弱的水平，流線圖中無旋渦結(jié)構(gòu)存在，這表明旋渦的尺度已經(jīng)被削弱至低于粒子成像測速系統(tǒng)的分辨尺度?？梢?，本發(fā)明方法對高雷諾數(shù)下的并列雙圓柱尾流控制也是有效的，而且控制效率更高。
[0041]綜上，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并列雙圓柱體的尾流，消減其流體振蕩力與渦激振動。
【權(quán)利要求】
1.一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于該方法是在并列雙圓柱體渦激振動的待消減段上分別設(shè)置一圓筒形套層，沿套層橫截面外側(cè)內(nèi)壁面指向下游的切線方向，在套層展向上開多個噴氣孔，兩圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角σ大小一致，方向相反，即噴氣孔關(guān)于雙圓柱的流向中心面對稱分布；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消減并列雙圓柱的渦激振動；其中為噴氣孔軸線方向與來流方向間的夾角為20°?60°，P=PdP1，Ptl為噴氣孔所受的最大環(huán)境壓力，P丨為0.4?4個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于:所述的流體為空氣、水或空氣與水的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于:所述的并列雙圓柱的中心距7? 1.1 h 3.5 A其中表示圓柱的截面直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于: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，套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個噴氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于:所述的套層壁厚為0.02D- 0.12 A其中表示圓柱的截面直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于:所述的噴氣孔直徑為0.0li^ 0.1 A兩個相鄰噴氣孔的中心距為0.05^0.5從
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，其特征在于:所述的套層與圓柱之間的間隙距離為0.02D- 0.2從其中表示圓柱的截面直徑。
【文檔編號】F16F15/023GK104455192SQ201410621524
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】凃程旭, 林建忠, 杜鵬飛 申請人:中國計量學(xué)院