CN102944372B - 基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法，包括以下步骤：1.首先根据试验水池或水槽的几何尺寸和流速条件，确定模型的几何相似比Sl；2.按照式(1)的频率相似比设计模型；3.采用式(2)的速度相似比根据原型的流速确定试验流速，并进行涡激振动试验；4.对试验结果进行分析得到模型的振动位移、速度和加速度；5.根据式(3)的位移相似比计算原型的涡激振动位移响应；Sd＝Sl(3)6.根据式(4)的速度相似比计算原型的涡激振动速度响应；7.根据式(5)的加速度相似比计算原型的涡激振动加速度响应；

Description

基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法
技术领域
本发明涉及结构的水动力试验方法，尤其涉及一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法。
背景技术
结构的水动力试验是目前尚未很好解决的问题，主要是试验用的液体不满足相似关系，通常只能采用水作为试验液体，即结构是缩尺模型，而试验液体为原型流体。因此，目前的水动力试验只能做到弗汝德数相似，即重力相似，而不能做到雷诺数相似。这是多年困扰科学及工程界的一大难题，久而久之，人们已习惯于弗汝德数相似的水动力试验，往往依据这样的试验结果来预测原型的水动力性能。这也是目前最好的解决方法，但是对于圆柱体的涡激振动，这却是一个多年来的错误做法。因为，涡激振动是由圆柱体尾流处的涡旋泄放引起的振动，而涡漩泄放的模式完全取决于雷诺数的大小，因此，不同的雷诺数条件下，圆柱体的涡激振动响应也有较大的区别。此外，圆柱体的涡激振动还与约化速度有关，不同的约化速度下，圆柱体的涡激振动响应差别更大。因此，要通过模型试验来预测原型结构的涡激振动响应特征，必须保证雷诺数和约化速度都相似。而目前的试验方法，雷诺数和约化速度均不相似。导致试验结果与原型之间不仅不相似，而且没有可比性，即模型试验现象和结果并不是原型在相应条件(按弗汝德数相似得到的原型条件)下的涡激振动响应。
涡激振动的主要参数是圆柱体的直径、流速和圆柱体的刚度，因此，模型试验的相似比取决于圆柱体的直径，即几何相似比，该直径是根据试验条件来确定的，试验条件包括水池(槽)的大小及水深、能产生的流速范围等。通常，水池(槽)的长度是自然满足的，限制模型大小的是水池(槽)的宽度。应保证圆柱体与水池(槽)的侧壁有足够的空间使流体流过时不产生边界效应，一般应大于十倍的圆柱体直径。
由于模型比原型的尺寸小，因此，如果要满足相似关系，则应根据相似原理选择黏度相似的流体，设原型与模型的几何相似比为Sl，则满足雷诺数相似的流体黏度相似比应为因此，如果原型流体是水，当进行1∶10的模型试验时，试验流体的运动黏度应为31.62×10-6m2/s，在这样的条件下，试验流速的相似比为即原型水的流速为2m时，试验流体的流速应为0.63m，而水的流速为0.5m时，试验流体的流速应为0.016m。遗憾的是，一般情况下，找不到合适的流体来满足雷诺数相似，或即便在特定条件下有满足雷诺数相似的流体，但由于成本(用量大)原因也无法采用。因此，目前国内外的水动力试验全部采用水作为试验流体，即原型流体与模型流体的运动黏度相似比为1，而其它相似关系仍采用重力相似或弗汝德数相似，从而导致雷诺数(Re)不相似，即：
(雷诺数无量纲，因此，相似比应等于1。)。对于波浪试验，由于波浪是重力波，因此，保证重力相似是基本条件。此外，波浪荷载与雷诺数无关，因此，雷诺数不相似对于波浪试验的相似性问题影响较小。但是涡激振动试验与波浪试验正好相反，涡旋泄放模式取决于雷诺数而与重力无关，因此，雷诺数不相似将导致模型与原型的涡泄模式不同，而圆柱体的涡激振动响应取决于涡泄模式，不同的涡泄模式将激起不同的涡激振动响应。因此，涡激振动试验应保证雷诺数相似。
与本发明最相近的解决方案就是以弗汝德数相似为基础的试验，模型与原型并不相似，不仅数值大小不相似，振动模式也不相似。
现有技术的缺点：
1)模型与原型的涡泄模式不同，因此，振动响应的性质不同。
2)模型与原型不相似，包括荷载频率和幅值大小、圆柱体响应的频率和大小均不相似。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法。目的在于提出正确的模型与原型涡激振动相似关系，由此建立基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法，包括以下步骤：
该方法是在保证雷诺数相似的条件下：进行模型和试验设计；式中：SRe为雷诺数相似比，Su为速度相似比，Sl为几何相似比，Sv为流体的运动黏度相似比，试验流体与原型流体相同，则Sv＝1；这时流速相似比为
(1)首先根据试验水池或水槽的条件，确定模型的几何相似比Sl；确定几何相似比除水池或水槽的几何尺寸外(公知技术)，还应考虑水池或水槽所具有的造流能力；因为，现有试验方法采用的流速相似比是基于弗汝德数相似得到的，试验流速小于原型流速，如几何相似比为4，则试验流速只有原型流速的二分之一；而本发明的流速相似比为因此，当几何相似比为4时，试验流速为原型流速的4倍，因此，确定几何相似比必须考虑水池或水槽所能达到的最大流速；
(2)根据几何相似比Si和频率相似比Sf的关系设计模型(非公知技术)；
(3)基于流速相似比根据原型的流速确定模型的试验流速，并进行试验(非公知技术)；
(4)对试验结果进行分析得到模型的涡激振动位移、速度和加速度响应(公知技术)；
(5)根据位移相似比Sd＝Sl，计算原型的涡激振动位移响应(公知技术)；式中：Sd为位移相似比；
(6)根据速度相似比计算原型的涡激振动速度响应(非公知技术)；
(7)根据加速度相似比计算原型的涡激振动加速度响应(非公知技术)。
本发明所提出的试验方法，在使用与原型流体同样的试验液体条件下，通过改变试验流速来实现雷诺数和约化速度同时相似，从而纠正了长期以来涡激振动模型试验的错误做法，解决了涡激振动模型试验结果与原型相似的问题，为试验流速的确定、模型与原型的频率(周期)的确定、原型位移、速度和加速度的计算提供了理论依据，并最终达到以下有益效果：
1)实现了模型与原型涡泄模式相同；
2)实现了模型与原型涡激振动相似。
具体实施方式
一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法，是在保证雷诺数相似的条件下：进行模型和试验设计；式中：SRe为雷诺数相似比，Su为速度相似比，Sl为几何相似比，Sv为流体的运动黏度相似比，当试验流体与原型流体相同时，Sv＝1；基于雷诺数相似，可得到相似关系如下：
几何相似比：Sl
频率相似比：
速度相似比：
位移相似比：Sd＝Sl
加速度相似比：
约化速度相似比：
该方法的具体实施步骤如下：
(1)首先根据试验水池或水槽的条件，确定模型的几何相似比Sl，确定几何相似比除水池和水槽的几何条件外(公知技术)，还应考虑水池或水槽的造流能力，这一点是本实施例的关键技术；因为，现有试验方法采用的流速相似比是基于弗汝德数相似得到的，试验流速小于原型流速，如几何相似比为4，则试验流速只有原型流速的1/2；而本实施例的流速相似比为因此，当几何相似比为4时，试验流速为原型流速的4倍，因此，确定几何相似比必须考虑水池或水槽所能达到的最大流速；
(2)根据几何相似比Sl和频率相似比设计模型(非公知技术)；
(3)基于流速相似比根据原型的流速确定试验流速，并进行试验(非公知技术)；
(4)对试验结果进行分析得到模型的涡激振动位移、速度和加速度响应(公知技术)；
(5)根据位移相似比Sd＝Sl，计算原型的涡激振动位移响应(公知技术)；式中：Sd为位移相似比；
(6)根据速度相似比计算原型的涡激振动速度响应(非公知技术)；
(7)根据加速度相似比计算原型的涡激振动加速度响应(非公知技术)。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于雷诺数相似的圆柱体涡激振动试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
该方法是在保证雷诺数相似的条件下：进行模型和试验设计；式中：SRe为雷诺数相似比，Su为速度相似比，Sl为几何相似比，Sv为流体的运动黏度相似比，试验流体与原型流体相同，Sv＝1；
(1)首先根据试验水池或水槽的条件，确定模型的几何相似比Sl；确定几何相似比除水池或水槽的几何尺寸外，还应考虑水池或水槽所具有的造流能力；
(2)根据几何相似比Si和频率相似比Sf的关系设计模型；
(3)基于流速相似比根据原型的流速确定模型的试验流速，并进行涡激振动试验；
(4)对试验结果进行分析得到模型的涡激振动位移、速度和加速度响应；
(5)根据位移相似比Sd＝sl，计算原型的涡激振动位移响应；式中：Sd为位移相似比；
(6)根据速度相似比计算原型的涡激振动速度响应；
(7)根据加速度相似比计算原型的涡激振动加速度响应。
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