CN104455192B - 一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法。本发明方法是在并列双圆柱体涡激振动的待消减段上分别设置一圆筒形套层，沿套层横截面外侧内壁面指向下游的切线方向，在套层展向上开多个喷气孔，两圆柱喷气孔轴线方向与来流方向夹角<i>ɑ</i>大小一致，方向相反；套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过喷气孔向外切向喷射后即可同时消减并列双圆柱的涡激振动。本发明利用喷射流体的交汇将边界层的分离及发展控制在近尾流一个很小的范围内，进而使原本周期性脱落的旋涡及其构成的尾流大涡结构在喷射流体的作用下消减或消失、失去周期性，达到消减或抑制并列双圆柱涡激振动的目的。

Description

一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法

技术领域

本发明属于海洋、土木及桥梁工程领域，涉及一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法。

背景技术

圆柱体绕流及其涡激振动问题(Vortex-InDuceDVibration,简称VIV)广泛存在于桥梁工程、建筑工程、能源工程、航空航天工程等领域，例如桥梁拉索及桥墩、高空及海底电缆、海底石油管线、远洋钻井平台台柱、高层建筑、核反应堆中的换热器等都是这类问题。当流体以一定的速度绕过圆柱体时，会周期性地交替产生旋涡，形成著名的卡门涡街。旋涡交替产生使得圆柱体受到横向(垂直于来流方向)的交变流体作用力，一旦流体作用力的频率与结构固有频率相一致将导致结构物发生共振，使结构振幅剧增而破坏。例如1940年美国的塔科马桥便因涡激振动频率恰好达到其固有频率，发生共振而倒塌。因此，流体对物体诱发的振动将严重影响该类结构的可靠性和安全性。由流体流动引起的物体振动现象除旋涡脱落外，还可能因流体自身脉动及来流压力不稳定等因素造成，但其中最主要的原因还是物体尾流中的周期性旋涡脱落。

在工程应用中结构常以成对圆柱、圆柱阵列出现，并列双圆柱作为这类这类结构最为简化的基本模型，消减其涡激振动是预防涡激振动破坏这类结构、延长结构使用寿命、提高结构安全性的重要基础。

并列双圆柱绕流的流型、流场特性等与单圆柱绕流相比更加复杂，它除了受Re数的影响外，还受制于两圆柱的中心距比T/D，如图1a所示，其中T是两圆柱中心的间距，D是圆柱的直径。随T/D的不同，图1b给出了并列双圆柱尾流有三类基本流型：1.单钝体流型(1<T/D<1.1-1.2)；2.偏流流型，亦称双稳态流型(1.1-1.2<T/D<2-2.2)；3.平行涡街流型，也称双涡街流型(2-2.5<T/D)。

并列双圆柱体尾流控制不但能消除其涡激振动，提升结构的使用性能与寿命，而且也能抑制钝体的流向阻力与流动噪声等不利影响。对于我们国家而言，在未来很长的一段时间的经济建设和社会发展中将不可避免地面临并列双圆柱的涡激振动及其控制问题，故本发明方法的意义与应用前景是显而易见的。

发明内容

本发明的目的是针对目前并列双圆柱体涡激振动主动控制技术的不足，提供了一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法。该方法通过沿两圆柱横截面的外壁面切向方向对称稳定地向振动圆柱的尾流喷射流体，对双圆柱体横截面两外侧的边界层、回流区进行调整，以减小并列双圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免或限制边界层的分离。利用喷射流体的交汇将边界层的分离及发展控制在近尾流一个很小的范围内，进而使原本周期性脱落的旋涡及其构成的尾流大涡结构在喷射流体的作用下消减或消失、失去周期性，达到消减或抑制并列双圆柱涡激振动的目的。

为实现上述发明目的，本发明方法是在并列双圆柱体涡激振动的待消减段上分别设置一圆筒形套层，沿套层横截面外侧内壁面指向下游的切线方向，在套层展向上开多个喷气孔，两圆柱喷气孔轴线方向与来流方向夹角ɑ大小一致，方向相反，即喷气孔关于双圆柱的流向中心面对称分布；套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过喷气孔向外切向喷射后即可同时消减并列双圆柱的涡激振动；其中为喷气孔轴线方向与来流方向间的夹角为20°～60°，p＝p₀+p₁，p₀为喷气孔所受的最大环境压力，p₁为0.4～4个标准大气压。

所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

所述的并列双圆柱的中心距T为1.1D～3.5D。

所述的套层与圆柱为同轴设置，且套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱。套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个喷气孔。

所述的套层壁厚为0.02D～0.12D。

所述的喷气孔直径为0.01D～0.1D，两个相邻喷气孔的中心距为0.05D-0.5D，相对于来流方向，喷气孔分别靠并列圆柱体外侧，喷气孔开孔方向与套层截面内壁面指向下游的切线方向平行、与来流方向成20°～60°的夹角，两套层的喷气孔关于来流方向对称布置。

所述的套层与圆柱之间的间隙距离为0.02D～0.2D，其中D表示圆柱的截面直径。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、针对并列双圆柱体受水流或气流作用而发生的涡激振动，流体源同时向两圆柱体的套层内提供一个均匀的正压，由喷气孔沿并列圆柱体的套层内壁面外侧切向，以一定的角度向圆柱体尾流喷射流体。利用两股喷射流体的交汇对并列双圆柱的外侧边界层进行控制，将边界层的分离与发展限制在一个很小的近尾流区域，最大限度地减小并列双圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免或减缓剪切边界层的分离，从而有效抑制尾流中旋涡脱落的发生，达到消除或消减并列双圆柱体周期性流体振荡力的目的。

2、本方法适用性较强，可以控制不同中心距、不同基本流型的并列双圆柱体的尾流，针对不同的流体、来流速度及圆柱体直径(即不同的雷诺数)，只需对流体源的压力或喷气孔角度进行调节，喷气孔的角度只需旋转套层即可，方便快捷；来流方向发生改变时，只需同步同向旋转两圆柱体套层，从而避免调整圆柱体结构本身，具有更强的可行性，省时省力。

附图说明

图1a是并列双圆柱绕流的示意图；

图1b是并列双圆柱体尾流基本流型的示意图；

图2是本发明控制双圆柱体尾流控制方案的整体示意图；

图3是圆柱体1纵向剖面图4的B－B剖面的剖示图；

图4是圆柱体1横向剖面图3的A－A剖面的剖示图；

图5是T＝1.1D应用本方法控制前并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图6是T＝1.1D应用本方法控制后并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图7是T＝1.6D应用本方法控制前并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图8是T＝1.6D应用本方法控制后并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图9是T＝3D应用本方法控制前并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图10是T＝3D应用本方法控制后并列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图11是高雷诺数下T＝1.1D应用本方法控制前并列双圆柱体尾流的时流场均流线图；

图12是高雷诺数下T＝1.1D应用本方法控制后并列双圆柱体尾流的时均流场流线图。

具体实施方式

如图2-图4所示，本发明方法是在并列双圆柱体1、2周期性振荡力的待消减段上分别设置一圆筒形套层3、4，在套层上各开多个喷气孔5、6，套层的两端分别与对应的圆柱体表面密封连接，外接的流体源7通过精密减压阀8及连接管9向套层与圆柱之间所形成的空间内连续地充入压强为p的流体，使得喷出的流体速度大小为定常来流速度的3～20倍。其中p＝p₀+p₁，p₀为喷气孔所受的最大环境压力，p₁为0.4～4个标准大气压。U_∞为来流速度，U_e为喷射孔的出口速度。

套层与圆柱为同轴设置，使得套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个切向喷气孔。

充入的流体可选空气、水或空气与水的混合物。

套层壁厚D为0.02D～0.12D。

喷气孔直径为0.01D～0.1D，两个相邻喷气孔的中心距L为0.05D～0.5D，喷气孔开孔方向与来流方向平行。

套层与圆柱之间的间隙距离为0.02D～0.2D，其中D表示圆柱体的截面直径。

当T/D<1.1-1.2时，并列双圆柱的尾流中只存在一组卡门涡街，该涡街由双圆柱外侧的分离剪切层构成，与单圆柱体尾流不同的是，两圆柱之间存在一个很小的间隙，部分来流会穿过这个缝隙(以下称间隙流)与背部排气流型类似，特别是当来流动量较大时，间隙流将携带更大的动量射入尾流，从而增加尾流低压区的压力，减小圆柱阻力，同时尾流流向区域也随之扩大，但是旋涡脱落频率并无明显变化，间隙流在这个T/D范围内有时平行于来流，但是更多时候会偏向某一圆柱，导致两圆柱受到的振荡力有很大差别，而且所受振荡力的大小与频率会随机转换。当1.1-1.2<T/D<2-2.2时，双圆柱的尾流为不对称的偏流流型，间隙流此时偏向两圆柱之一，近尾流因此被分为一宽一窄两个尾流。位于窄尾流的圆柱旋涡脱落频率更高，阻力系数更大，且间隙流有时会间歇性地随机从偏向一圆柱转而偏向另一圆柱，并保持一定的时长，该时长一般高出涡脱落周期数个数量级，故偏流流型亦称为双稳态流型。当工程中的圆柱体结构物如此布置时，与单圆柱相比，长期处于窄尾流的结构物将更易于破坏，结构物的使用寿命也将缩短。随着T/D的增大，间隙流的偏转程度将减小，直到T/D>2-2.2，并列双圆柱各自的尾流形成一组卡门涡街，两涡街平行。因此，两圆柱受到的流体振荡力振幅与频率一致，但在相位上两者存在同相位和反相位两种类型，随着雷诺数和中心距比的不同，两种相位类型之间也会相互转换。

针对上述问题，本发明尾流控制方案的主干管路由流体源提供一个稳定正压，再经两个支路的精密减压阀精确控制套层与圆柱体之间的密闭空间的压力，使得向尾流喷射的流体的出口速度大小为来流速度的3～15倍。由此调整并列双圆柱外侧的边界层、回流区、增强其抵抗逆压梯度的能力及破坏卡门涡街的二维展向相关性，从而抑制漩涡的产生，消减圆柱的交变载荷。若来流的方向发生变化，如风向或洋流方向改变时，只需将两套层同向旋转相同的角度，保持喷气孔的方位角α为20°～60°，两圆柱的方位角大小相等、方向相反便有效地消减两圆柱的交变荷载。

以下结合实验给出应用本发明控制并列双圆柱振荡力的实例。对处均匀流中三种基本流型下的并列双圆柱模型进行实验。三种基本流型对应的中心距分别取1.1D、1.6D、3D。实验时，由风洞提供均匀的流场来模拟定常的来流，圆筒形套层水平放置于风洞的实验段，其纵向跨度方向与来流方向垂直。圆柱体的长度为600mm，直径D为20mm。套层两端都有盖板密封，套层贯穿风洞的试验段，两端固定在风洞的壁面上。套层的外直径30mm，内直径为25mm，长度为600mm；两套层距流向中心面靠外侧切向各开有一列等间距的喷气孔，其直径为1mm，相邻喷气孔间距为5mm，两套层的喷气孔方向与来流方向的夹角大小相等、方向相反；定常来流速度为2m/s-10m/s。

图5给出了应用本发明前，小间距(Re＝4000，T/D＝1.1)并列双圆柱的单钝体尾流流型的准瞬态迹线分布图。此时尾流中存在清晰可见的大尺度漩涡结构与向上偏转的小间隙流，这表明两圆柱受到较大的振荡力的作用且受力不一。应用本发明后，由上述两圆柱体的喷气孔阵列向其尾流喷射流体。套层内的压力为高出环境压力0.8个标准大气压，喷射流体的出口速度约为25m/s，相对喷射流量为0.06。这里引入用于直观表征尾流控制效率的相对喷射流量q＝Q_e/U_∞·D₁·B，Q_e为套层喷射出口总流量，D₁为套层直径，B为喷射孔的展向分布跨度，相对喷射流量越小说明控制效率越高。其它排吸流体的尾流控制方法q一般在0.5～2甚至更高。依图6可知，应用本发明方法后(α＝50°，p₁＝12.5psi，q＝0.06)，并列双圆柱体尾流的大尺度漩涡结构在喷射流体的交汇下已基本消失，两圆柱所受交变荷载得到有效消减，结构的安全性和使用性能因此提高。图7与图8分别给出了中等间距的双圆柱(Re＝4000，T/D＝1.6)，应用本发明前后(α＝50°，q＝0.046，p₁＝6.25psi)的圆柱体尾流的迹线分布图。对比分析图7与图8可知，应用本发明方法同样可以很好地抑制漩涡的产生、脱落，进而有效地消减作用在圆柱体上的流体振荡力。图9与图10分别给出了大间距的双圆柱(Re＝4000，T/D＝3)，应用本发明前后(α＝50°，q＝0.083，p₁＝18.75psi)的圆柱体尾流的迹线分布图。由图可知，采用本发明方法同样可以控制大间距并列双圆柱尾流，有效地消减作用在圆柱体上的流体振荡力。

高雷诺数下(风速10m/s，Re＝20000，T/D＝1.1)，应用本发明方法前后的时均尾流流线图如图11与图12所示。当α＝20°，q_c＝0.014，p₁＝18.75psi，应用本发明前的回流区内大小两个尾流的旋涡结构很快被消减至很弱的水平，流线图中无旋涡结构存在，这表明旋涡的尺度已经被削弱至低于粒子成像测速系统的分辨尺度。可见，本发明方法对高雷诺数下的并列双圆柱尾流控制也是有效的，而且控制效率更高。

综上，本发明方法可以有效控制中等雷诺数到高雷诺数、不同间距及基本流型的并列双圆柱体的尾流，消减其流体振荡力与涡激振动。

Claims (7)

1.一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于该方法是在并列双圆柱体涡激振动的待消减段上分别设置一圆筒形套层，沿套层横截面外侧内壁面指向下游的切线方向，在套层展向上开多个喷气孔，两圆柱喷气孔轴线方向与来流方向夹角ɑ大小一致，方向相反，即喷气孔关于双圆柱体的流向中心面对称分布；套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱体之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过喷气孔向外切向喷射后即可同时消减并列双圆柱体的涡激振动；其中为喷气孔轴线方向与来流方向间的夹角为20°～60°，p=p₀+p₁，p₀为喷气孔所受的最大环境压力，p₁为0.4～4个标准大气压。

2.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的并列双圆柱体的中心距T为1.1D～3.5D，其中D表示圆柱体的截面直径。

4.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的套层与圆柱体为同轴设置，且套层与圆柱体之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个喷气孔。

5.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的套层壁厚为0.02D～0.12D，其中D表示圆柱体的截面直径。

6.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的喷气孔直径为0.01D～0.1D，两个相邻喷气孔的中心距为0.05D-0.5D，其中D表示圆柱体的截面直径。

7.根据权利要求1所述的一种并列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的套层与圆柱体之间的间隙距离为0.02D～0.2D，其中D表示圆柱体的截面直径。