CN102609009B - 一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置。它是由真空泵、气泵、储气罐、电磁换向阀、真空过滤器、精密减压阀、真空减压阀、吹吸气气流主管道、流量计、节流阀组成的，储气罐分别连接甲球阀、乙球阀和电磁换向阀，电磁换向阀分别连接真空过滤器和普通过滤器，真空过滤器连接真空减压阀，真空减压阀连接吸气气流主管道。本发明利用吸/吹气气流控制结构在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置，设计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流风速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，本发明改善结构风致特性，提高结构风致稳定性，用于超高层建筑、大跨桥梁、海洋工程结构等多种模型的风洞试验研究。

Description

一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及工程结构空气动力学测试方法，具体说就是一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置

背景技术

工程结构在风作用下可能发生静风失稳和颤振、驰振、抖振和涡激振动，其中颤振和驰振会造成结构的毁灭性破坏，抖振会导致结构局部疲劳，涡激振动容易造成结构的疲劳破坏。随着轻质高强材料的发展以及结构计算能力的增强，工程结构向着大跨径、轻型化和柔性化的趋势发展，与此同时结构刚度和阻尼降低，对风荷载作用的敏感程度逐渐增大，风荷载以及风致稳定性成为影响结构安全的控制因素之一，特别是具有危险自激发散特性的风致颤振问题更加突出。结构抗风设计，就是减小结构的风致响应，降低过大变形，特别是要避免颤振和驰振的发生，同时尽量把抖振和涡振的振幅限制在允许的范围内。从抗风针对对象角度分类，超过限度的风致作用的抗风研究包括基于结构响应控制的抗风措施和基于结构断面绕流控制的抗风措施。这些措施的实施通常从三个方面考虑，即提高结构的整体刚度特别是扭转刚度、增大结构阻尼和改善断面的气动性能。然而，提高结构的整体刚度和增大结构阻尼将需要巨大的能量，维护困难，价格昂贵，而通过引入各种措施来改变作用在结构断面上的气动力将产生很好的气动效果。改变结构断面气动外型对于改善空气动力特性进而提高大跨结构的抗风能力是一种经济有效的方法，优化结构断面的气动特性实际上是改变了结构断面绕流流体边界层结构。目前，优化结构断面气动特性的方法大多是被动地改变断面绕流流体边界层结构，是间接地改善绕流品质的方式。利用主动供能方式直接地改善结构绕流边界层进而提高结构抗风能力的研究，在国际上刚刚起步。吸(吹)气就是一种改善结构绕流边界层结构的主动控制方式，对于吸(吹)气最早的研究开始于航天领域，而在结构风工程领域，利用吸气方法提高结构抗风能力的研究还处于近乎空白的状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种结构绕流场吸/吹气控制装置，它是由真空泵、甲球阀、乙球阀、气泵、储气罐、电磁换向阀、真空过滤器、普通过滤器、精密减压阀、真空减压阀、吹气气流主管道、吸气气流主管道、吸气支管、吸/吹气端口、流量计、节流阀、吹气气流主管道和吹气支管组成的，真空泵连接甲球阀，气泵连接乙球阀，储气罐分别连接甲球阀、乙球阀和电磁换向阀，电磁换向阀分别连接真空过滤器和普通过滤器，真空过滤器连接真空减压阀，真空减压阀连接吸气气流主管道，吸气气流主管道连接流量计，流量计连接节流阀，节流阀连接吸气支管吸气支管连接吸/吹气端口，普通过滤器连接精密减压阀，精密减压阀连接吹气气流主管道，吹气气流主管道连接吹气支管。

本发明一种结构绕流场吸/吹气控制方法，利用吸/吹气气流控制结构在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置，设计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流风速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，步骤如下：

步骤一：在结构上布置吸/吹气端口，在结构断面来流方向布置风速传感器。

步骤二：利用风速传感器实时监测结构断面前方来流风速信息；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风速进行对比，当来流风速达到预设来流风速的最小值时，控制动力装置开启吹/吸气端口，并通过来流风速与预设来流风速的实时比对，控制动力装置调整吹/吸气端口的流量，当来流风速低于预设风速的最小值时，控制动力装置关闭吹/吸气端口；

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时，重复步骤三。

本发明在结构上布置吸/吹气端口和结构断面绕流特性监测传感器，通过传感器感知风速和结构断面绕流状态，该监测数据通过反馈系统处理后发出指令控制吸/吹气系统的动力装置开启或关闭。本发明提供一种结构壁面绕流场主动控制技术，将吸/吹气边界层控制技术引进土木工程领域，改善结构风致特性，提高结构风致稳定性；采用实时监控反馈系统，能够精确快捷的进行结构断面绕流边界层的控制；本发明一种结构绕流场吸/吹气控制方法可用于超高层建筑、大跨桥梁、高耸结构、海洋工程结构等多种模型的风洞试验研究，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的结构绕流场吸/吹气控制装置示意图；

图2为本发明的拉索结构涡激振动控制实验装置示意图；

图3为图2中拉索的横截面示意图；

图4为本发明的实验设计的预设来流风速与不同吸/吹气装置流速控制效果关系图；

图5为本发明的拉索结构涡激振动振幅控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种结构绕流场吸/吹气控制装置，它是由真空泵(1)、甲球阀(2)、气泵(12)、乙球阀(17)、储气罐(3)、电磁换向阀(4)、真空过滤器(5)、普通过滤器(13)、精密减压阀(14)、真空减压阀(6)、吹气气流主管道(15)、吸气气流主管道(7)、吸气支管(10)、吸/吹气端口(11)、流量计(8)、节流阀(9)、吹气气流主管道(15)和吹气支管(16)组成的，真空泵(1)连接甲球阀(2)，气泵(12)连接乙球阀(17)，储气罐(3)分别连接甲球阀(2)、乙球阀(17)和电磁换向阀(4)，电磁换向阀(4)分别连接真空过滤器(5)和普通过滤器(13)，真空过滤器(5)连接真空减压阀(6)，真空减压阀(6)连接吸气气流主管道(7)，吸气气流主管道(7)连接流量计(8)，流量计(8)连接节流阀(9)，节流阀(9)连接吸气支管(10)吸气支管(10)连接吸/吹气端口(11)，普通过滤器(13)连接精密减压阀(14)，精密减压阀(14)连接吹气气流主管道(15)，吹气气流主管道(15)连接吹气支管(16)。

本发明结构绕流场吸/吹气控制方法，利用吸/吹气气流控制结构在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置，设计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流风速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，步骤如下：

步骤一：在结构上布置吸/吹气端口，在结构断面来流方向布置风速传感器；

步骤二：利用风速传感器实时监测结构断面前方来流风速信息；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风速进行对比，当来流风速达到预设来流风速的最小值时，控制动力装置开启吹/吸气端口，并通过来流风速与预设来流风速的实时比对，控制动力装置调整吹/吸气端口的流量，当来流风速低于预设风速的最小值时，控制动力装置关闭吹/吸气端口；

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时，重复步骤三。

实施例2：结合图1，本发明所述的结构绕流场吸/吹气控制方法是通过外部供能进行结构断面气流流动主动控制，从而改善结构气动特性的一种新技术。本发明通过一种结构绕流场吸/吹气控制装置来实现。利用微型传感器实时在线监测结构断面绕流特性和风速，反馈系统根据测得信息分析处理后发出指令，控制结构绕流场吸/吹气控制装置的动力装置开启或者关闭，同时各种控制装置调节动力装置提供的能量大小。结构绕流场吸/吹气控制装置的气流端口通常布置在结构底部靠近来流风一侧。

结构绕流场吸/吹气控制装置的气动部分由动力装置、控制装置和气流管道组成。动力装置包括真空泵(1)、储气罐(3)、电磁换向阀(4)、真空过滤器(5)、气泵(12)和普通过滤器(13)；控制装置包括由真空减压阀(6)和精密减压阀(14)组成的压力控制装置以及由流量计(8)和节流阀(9)组成的速度调节装置；气流管道包括吸气气流主管道(7)、吸气支管(10)、吹气气流主管道(15)、吹气支管(16)和吸吹气端口(11)。

结构绕流场吸/吹气控制装置的工作原理如图1所示，当该装置进行吸气时，首先接通电磁换向阀a和b的电源，且电磁换向阀c处于未通电状态，然后打开与真空泵(1)相连的甲球阀(2)，启动真空泵(1)，在装置的管道内产生负压，同时调节真空减压阀(6)，使真空减压阀(6)和吸吹气端口(11)之间的管道内负压稳定在一定的大小。在负压作用下，结构断面处的空气经由吸吹气端口(11)被吸入吸气支管(10)，被吸入的气流从电磁换向阀c的R口流入，A口流出，然后流入节流阀(9)，通过节流阀(9)的流量调节，吸(吹)气端口(11)处的气流速度达到试验要求，此时的气体流量在气流流经流量计(8)时显示出来。吸气气流流过流量计(8)之后从电磁换向阀b的A口流入，P口流出，流入吸气气流主管道(7)。各吸气支管(10)内的气流汇聚到吸气气流主管道(7)后，依次流过真空减压阀(6)和真空过滤器(5)，过滤后的洁净气体从电磁换向阀a的A口流入，P口流出，经过储气罐(3)流入真空泵(1)，最后由真空泵的排气口排入大气中。

当该装置进行吹气时，首先切断电磁换向阀a和b的电源，同时接通电磁换向阀c的电源，使得电磁换向阀换向，从而改变管道的连接位置，然后打开与气泵(12)相连的乙球阀，并启动气泵(12)，由气泵上的空气压缩机产生高压空气，高压空气经过储气罐(3)后，从电磁换向阀a的R口流入，A口流出，流入普通过滤器(13)，经过过滤的洁净压缩空气流入精密减压阀(14)，经过减压之后进入吹气气流主管道(15)，再分别流入各吹气支管(16)。吹气支管(16)内的压缩空气从电磁换向阀c的P口流入，A口流出，流过节流阀(9)从而进入流量计(8)，经过节流阀调定的气体流量在流量计(8)中显示，且吸(吹)气端口处的气体流速被调定。此时，由于电磁换向阀c的作用，使得压缩空气的流动方向与吸气时吸气气流的流动方向相同，从而使只能单向流过气体的流量计(8)可以不必更换安装方向而直接使用。流过流量计(8)的压缩空气从电磁换向阀b的A口流入，R口流出，然后从吸(吹)气端口流出。

实施例3：结合图2、图3、图4、图5，利用结构绕流场吸/吹气控制方法完成拉索结构涡激振动控制实验。在自由振动装置上的拉索结构如图2所示。图3为拉索横截面，图中，吸气孔与水平轴夹角为θ，拉索前端来流风速为U。通过预先设计，给定吸气孔位置为θ＝135°，预设来流风速与吸/吹气装置流速关系如图4所示。图4中，横坐标为来流风速，纵坐标为拉索结构振动加速度均方差值，U_q为吹/吸气装置流速，从图4中可以看出，预设来流风速的最小值为5m/s，当U_q为7.17m/s时，吸气方法对拉索结构涡激振动的控制效果最好。对拉索结构涡激振动控制的实验步骤如下：

步骤一：在θ＝135°的位置布设吸/吹气端口，在拉索结构来流方向布置Young公司的Model81000型超声风速传感器；

步骤二：利用Model81000型超声风速传感器实时监测结构断面前方来流风速风速；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风速进行对比，根据图4中的设计曲线，当Model81000型超声风速传感器监测到的风速达到预设来流风速的最小值5m/s时，控制动力装置开启吹/吸气端口，根据图4中的设计最优吸气流速，设定吸/吹气装置流速为7.17m/s。在该吸/吹气作用下和无吸/吹气作用下的拉索结构振动位移时程如图5所示，可见，在该吸/吹气作用下拉索结构的涡激振动振幅大大降低。当来流风速低于5m/s时，控制动力装置关闭吹/吸气端口。

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时5m/s，重复步骤三。

从上述实验可以看出，本发明的结构绕流场吸/吹气控制方法可以很好地控制拉索结构的涡激振动，是一种有效地结构风致绕流作用控制方法。

Claims (2)

1.一种结构绕流场吸/吹气控制装置，包括真空泵(1)、甲球阀(2)、气泵(12)、乙球阀(17)、储气罐(3)、电磁换向阀(4)、真空过滤器(5)、普通过滤器(13)、精密减压阀(14)、真空减压阀(6)、吸气气流主管道(7)、吸气支管(10)、吸/吹气端口(11)、流量计(8)、节流阀(9)、吹气气流主管道(15)和吹气支管(16)，其特征在于：真空泵(1)连接甲球阀(2)，气泵(12)连接乙球阀(17)，储气罐(3)分别连接甲球阀(2)、乙球阀(17)和电磁换向阀(4)，电磁换向阀(4)分别连接真空过滤器(5)和普通过滤器(13)，真空过滤器(5)连接真空减压阀(6)，真空减压阀(6)连接吸气气流主管道(7)，吸气气流主管道(7)连接流量计(8)，流量计(8)连接节流阀(9)，节流阀(9)连接吸气支管(10)吸气支管(10)连接吸/吹气端口(11)，普通过滤器(13)连接精密减压阀(14)，精密减压阀(14)连接吹气气流主管道(15)，吹气气流主管道(15)连接吹气支管(16)。

2.一种结构绕流场吸/吹气控制方法，其特征在于：利用如权利要求1所述的一种结构绕流场吸/吹气控制装置在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气控制装置，设计预设来流风速与吸/吹气控制装置流量关系，通过比对监测到的来流风速与预设来流风速，控制吸/吹气控制装置流量，

步骤如下：

步骤一：在结构上布置吸/吹气控制装置端口，在结构断面来流方向布置风速传感器；

步骤二：利用风速传感器实时监测结构断面前方来流风速信息；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风速进行对比，当来流风速达到预设来流风速的最小值时，控制动力装置开启吸/吹气控制装置端口，并通过来流风速与预设来流风速的实时比对，控制动力装置调整吸/吹气控制装置端口的流量，当来流风速低于预设来流风速的最小值时，控制动力装置关闭吸/吹气控制装置端口；

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时，重复步骤三。

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