CN104729828A

CN104729828A - 一种适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统

Info

Publication number: CN104729828A
Application number: CN201510134079.1A
Authority: CN
Inventors: 任泉超; 燕翔; 张军; 刘昉
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-06-24

Abstract

本发明公开了一种适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，涉及流体力学及实验装置领域，由固定支撑模块、滑动支撑模块及滑动体系三部分构成，滑动支撑模块可在固定支撑模块上自由滑动，同时通过拉力弹簧使得滑动体系可在滑动支撑模块上做竖直线性往复运动。本发明既适用于单一振子的涡激振动试验，也适用于各种阵列条件下的两/多振子的耦合振动试验。同时，本系统可实现多振子间的串联、并联、倾斜排布以及串并联耦合排布等各类排布形式，拓展了涡激振动的研究范围，为多振子耦合的尾流驰振研究提供了良好的试验条件。

Description

一种适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统

技术领域

本发明涉及流体力学及实验装置领域，是一种既适用于单个独立振动又适用于多振子耦合振动研究的高效试验系统。

背景技术

特定流速下，弹性支撑的绕流钝体会因后侧交替脱落的漩涡产生周期性的振动，而钝体周期性振动亦会造成钝体后侧尾流泻涡模态的改变，这种流体与固体相互作用的现象即称为涡激振动(Vortex-Induced Vibration，简称VIV)。涡激振动的初始研究内容主要集中于如何抑制振动以减少其对建筑结构的破坏作用，但随着研究的发展和深入，人们发现涡激振动的振动能量可以加以利用。美国密歇根大学的Bernitsas教授正是利用了这一原理成功研制了一种新型的低速水流发电装置——VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)。相比较传统旋桨式水流发电机，VIVACE具有启动流速低、能量密度大等巨大优势，具有良好的开发前景。

当然，不论传统的抑制振动还是前沿的利用振动，涡激振动研究都越来越偏向于宏观领域，偏向于整个流场间各振子的相互影响领域。因此，单一的振子试验系统已经很难满足未来的研究需求。目前，涡激振动试验领域存在一些研究两振子或多振子的试验装置。但对于两振子机理研究(弹性支撑的刚性圆柱体，具有可变的实体弹簧)装置而言，其振子排布形式十分有限，并不能有效实现各种形态的排布形式(串联、并联、各类倾斜排布)。而对于多振子而言，并没有有效的机理研究装置，而仅有针对海洋立管(柱体为柔性体，不存在实体弹簧)的工程性试验装置。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种高效的涡激振动机理研究试验系统，该系统可以实现由单振子研究到多振子研究的灵活转变，且能适应各种不同阵列类型的振子排布形式，拓展了研究领域，提高了试验效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，由固定支撑模块、滑动支撑模块及滑动体系三部分构成，其特征是：固定支撑模块包括工作台、支撑杆、支撑线性导轨，工作台由支撑杆相互连接，支撑线性导轨置于支撑杆上；滑动支撑模块包括滑动支撑架、竖向线性滑道与弹簧挂板，竖向线性滑道置于滑动支撑架上，弹簧挂板置于滑动滑动支撑架外侧，滑动支撑架顶部与底部分别通过线性轴承与支撑线性导轨连接；滑动体系包括滑动架、直臂传力杆、折臂传力杆、振子，振子与直臂传力杆或折臂传力杆连接，滑动架通过线性轴承与竖向线性滑道连接。

进一步的，所述的工作台包括上、下游两个，并由支撑杆相互连接。

进一步的，所述的滑动支撑模块可在固定支撑模块上自由滑动。

进一步的，还包括拉力弹簧，所述的拉力弹簧上下两端分别与弹簧挂板和直臂传力杆或折臂传力杆连接，使得滑动体系可在滑动支撑模块上做竖直线性往复运动。

本发明的有益效果是，该系统既适用于单一振子的涡激振动试验，也适用于各种阵列条件下的(两)多振子的耦合振动试验。相较于现有耦合涡激振动试验装置，本系统的振子排布个数更多，不仅仅限于两个振子；同时，本系统可实现多振子间的串联、并联、倾斜排布以及串并联耦合排布等各类排布形式，拓展了涡激振动的研究范围，为多振子耦合的尾流驰振研究提供了良好的试验条件。该系统中各振子的间距可以灵活地调整，不用反复拆卸和安装即可实现多种工况下的试验研究，从而降低了试验成本，提高了试验效率。此外，该系统装置所对应的连接与传力结构设计简单，易于制造，便于拆卸更替，具有良好的经济适用性。

附图说明

图1为本发明立体图；

图2为本发明固定支撑模块立体图；

图3为本发明滑动支撑模块及滑动体系立面图；

图4为本发明多振子串联列阵形式；

图5为本发明多振子串并联列阵形式；

图中1、工作台；2、支撑杆；3、支撑线性导轨；4、滑动支撑架；5、竖向线性滑道；6、弹簧挂板；7、线性轴承；8、滑动架；9、直臂传力杆；10、折臂传力杆；11、振子；12、拉力弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

由附图1、附图2和附图3可知，本发明主要由固定支撑模块、滑动支撑模块及滑动体系三部分构成。固定支撑模块包括工作台1、支撑杆2、支撑线性导轨3；工作台1包括上、下游两个，固定于水槽顶部，由支撑杆2相互连接形成整体架构；支撑线性导轨3置于支撑杆上。滑动支撑模块包括滑动支撑架4、竖向线性滑道5与弹簧挂板6；竖向线性滑道5置于滑动支撑架4上；弹簧挂板6置于滑动支撑架4外侧；滑动支撑架4顶部与底部分别通过线性轴承7与支撑线性导轨3连接，使得滑动支撑模块能在固定支撑模块上自由滑动。滑动体系包括滑动架8、直臂传力杆9、折臂传力杆10、振子11；振子11与直臂传力杆9或折臂传力杆10连接，而直臂传力杆9或折臂传力杆10与滑动架8连接而形成整体滑动体系；滑动架8通过线性轴承7与竖向线性滑道5连接，而拉力弹簧12上下两端分别与弹簧挂板6和直臂传力杆9或折臂传力杆10连接，使得滑动体系可在滑动支撑模块上做竖直线性往复运动。该实施例中，水槽长宽高分别为20m×1m×1.5m，水槽最高水位1.3m，最高流速2m/s；工作台1长宽分别为1m和1.4m；支撑杆2与支撑线性导轨3长度均为8m；滑动支撑模块共6套，对应的滑动体系也为6套；滑动支撑架长宽分别为0.9m和0.35m；竖向线性滑道5长1.2m，直臂传力杆9长度1.5m，折臂传力杆10竖直长度1.5m，横向长度0.3m；振子11为圆柱体，数量6个，直径10cm，长度90cm，单个质量4.6kg；弹簧根据具体试验要求进行选配。

该实施例中对于直臂传力杆9与折臂传力杆10的选配原则：1、研究内容为单振子11或不包含并联列阵的两(多)振子列阵形式(包括串联及倾斜排布形式)，则所有振子11都应选择直臂传力杆9进行连接，如图4所示；2、研究内容为包含并联列阵的两(多)振子列阵形式，则并联列阵的下端振子11应采用折臂传力杆10进行连接，而其余振子11仍采用直臂传力杆9进行连接，如图5所示。

由于多振子排布振动方式多样，因此，关于多振子耦合振动的涡激振动试验装置的其他组合方式均属于本专利的保护范围。

Claims

1.一种适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，由固定支撑模块、滑动支撑模块及滑动体系三部分构成，其特征是：固定支撑模块包括工作台、支撑杆、支撑线性导轨，工作台由支撑杆相互连接，支撑线性导轨置于支撑杆上；滑动支撑模块包括滑动支撑架、竖向线性滑道与弹簧挂板，竖向线性滑道置于滑动支撑架上，弹簧挂板置于滑动支撑架外侧，滑动支撑架顶部与底部分别通过线性轴承与支撑线性导轨连接；滑动体系包括滑动架、直臂传力杆、折臂传力杆、振子，振子与直臂传力杆或折臂传力杆连接，滑动架通过线性轴承与竖向线性滑道连接。

2.根据权利要求1所述的适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，其特征是：所述的工作台包括上、下游两个，并由支撑杆相互连接。

3.根据权利要求1所述的适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，其特征是：所述的滑动支撑模块可在固定支撑模块上自由滑动。

4.根据权利要求1所述的适用于多振子耦合振动研究的涡激振动试验系统，其特征是：还包括拉力弹簧，所述的拉力弹簧上下两端分别与弹簧挂板和直臂传力杆或折臂传力杆连接，使得滑动体系可在滑动支撑模块上做竖直线性往复运动。