CN107237797B - 一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法。本发明利用喷射流体的流动调制将边界层的分离及发展控制在近尾流一个很小的范围内，以减小串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，进而使原本周期性脱落的旋涡及其增强、演化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，达到消减或抑制串列双圆柱涡激振动的目的。

Description

一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法

技术领域

本发明属于军事、海洋、土木及桥梁工程领域，涉及一种串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-Induced Vibration，简称VIV)是一种涉及流固耦合在多种场合都可能发生的物理现象。涡激振动发生在许多工程领域，如桥梁、烟囱、电力传输线、飞行器表面控制、海洋结构物、热电偶套管、发动机、热交换器、海洋电缆、拖曳缆绳、钻井与生产隔水管、锚泊缆绳、锚泊结构、束缚结构、浮船及立柱船体、管线、电缆铺设、导管架结构杆件以及其他水力学、水声学中的应用。

在深海工程、土木桥梁工程领域，圆柱体结构是工程上应用最多、最广泛的一种结构物，这些领域里有很对结构物都可以看成是双圆柱体或多圆柱体结构。当水流绕过圆柱体时，在一定流动工况下会发生结构物后旋涡脱落的现象，交替产生的周期性的旋涡会诱发结构物与来流垂直方向上产生周期性变化的流体作用力，即所谓的横向力或升力，致使结构物产生振动，特别当流体作用力的周期与圆柱体固有频率接近时会使结构物损坏，即圆柱体的涡激振动现象。对于串列排列的双圆柱体来说，由于一个圆柱体位于另一个圆柱体的尾流内，这时作用在下游圆柱体的流体的流速降低，其振动特性会显现出极大的不同，这种现象被称为“掩蔽效应”；上游圆柱体由于下游圆柱体的存在，受到较低流速的来流的作用，这种现象被称为“堵塞效应”，从而使得两个圆柱体相对于单个圆柱体绕流，表现出了极大不同的振动特性。

串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P/D，如图1所示，其中P是两圆柱中心的间距，D是圆柱的直径。随P/D的不同，图2给出了串列双圆柱尾流有三类基本流型：1.单钝体流型，亦称延伸体流型(1<P/D<2)；2.再附流型，亦称双稳态流型(2<P/D<5)；3.共脱落流型(5<P/D)。其中，再附流型根据上游圆柱剪切层在下游圆柱再附的位置不同(下游圆柱迎流面或背流面)又分为前缘再附(2<P/D<3)与后缘再附(3<P/D<5)两种流型。

串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串列双圆柱的涡激振动及其控制问题。

目前虽然已有并列排列双圆柱体涡激振动的消减方法，但是并列排列双圆柱体涡激振动的消减方法并不适用在串列排列双圆柱体涡激振动消减上并且在并列双圆柱体涡激振动的消减方法不好的情况下串列双圆柱涡激振动的消减方法会更好。首先，将并列双圆柱体套层上的喷射角应用在串列双圆柱体的套层喷射角上并不能有效的消减串列排列双圆柱体的涡激振动，串列排列双圆柱体中的下游圆柱体始终受到上游圆柱体尾流的干扰，因此下游圆柱体套层喷射角要更大即附加一定的角度。其次，由于尾流控制的引入会使双圆柱体并列排列的情况下原本相互独立的尾流发生耦合，特别是单钝体流型(1<P/D<1.1～1.2)的实际Re数相比单圆柱要高出近一倍，这种情况在双圆柱体串列排列的情况下并不会发生。

发明内容

本发明的目的是针对目前串列双圆柱体涡激振动主动控制技术的不足，提供了一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法。

本发明通过沿上游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的一侧壁面指向下游的切线方向、下游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的另一侧壁面指向下游的切线方向稳定地向振动圆柱的尾流喷射流体，对串列双圆柱体横截面两侧的边界层、回流区进行调整，利用喷射流体的流动调制将边界层的分离及发展控制在近尾流一个很小的范围内，以减小串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，进而使原本周期性脱落的旋涡及其增强、演化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，达到消减或抑制串列双圆柱涡激振动的目的。

为实现上述发明目的，本发明方法是在串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，在套层上开多个喷气孔，喷气孔方向沿上游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的一侧壁面指向下游的切线方向、下游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的另一侧壁面指向下游的切线方向。上游圆柱喷气孔轴线方向与来流方向夹角为α，下游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向夹角为(α+β)；其中α为上游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向间的夹角，α为10°～60°，β为5°～30°。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串列双圆柱的涡激振动；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。

所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

所述的串列双圆柱的中心距P为0.01D～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。

所述的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0.01D～0.5D，喷气孔分布在串列双圆柱体相异两侧，上游圆柱喷气孔开孔方向与来流方向夹角为α，下游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向夹角为(α+β)；其中，α为10°～60°，β为5°～30°，β角的大小由α角的选取来决定，即β＝k·α，k为0.3～0.5是串列双圆柱体涡激振动消减方法所特有的经验系数，k的取值直接影响到串列双圆柱体涡激振动消减的效率。

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、针对串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，由喷气孔沿上游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的一侧壁面指向下游的切线方向，下游圆柱体喷气孔沿远离两圆柱体流向对称中心面的另一侧壁面指向下游的切线方向，以一定的角度向圆柱体尾流喷射流体。利用两股喷射的流体对串列双圆柱的两外侧边界层进行调制，将边界层的分离与发展限制在一个很小的近尾流区域，最大限度地减小串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，达到消除或消减串列双圆柱体周期性流体振荡力的目的。

2、本发明适用性较强，可以控制不同中心距、不同基本流型的串列双圆柱体的尾流，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。

3、本发明相比于已有的并列排列双圆柱体涡激振动的消减方法不会因尾流控制的引入而致使原本相互独立的尾流发生耦合。另外，本发明的优点在于并不是简单的将并列排列双圆柱体经过旋转变成串列排列双圆柱体，而是根据串列双圆柱体实际应用中所面临下游圆柱体除了来流的涡激振动外还会受上游圆柱体尾流的影响，所以下游圆柱体套层的喷射角需要在上游圆柱体套层喷射角的基础上附加一个β角。

附图说明

图1是串列双圆柱绕流的示意图；

图2是串列双圆柱体尾流基本流型的示意图；

图3是本发明控制双圆柱体尾流控制方案的整体示意图；

图4是圆柱体1纵向剖面图5的B－B剖面的剖示图；

图5是圆柱体1横向剖面图4的A－A剖面的剖示图；

图6是P＝2D应用本方法控制前串列双圆柱体尾流的迹线分布图；

图7是P＝2D应用本方法控制后串列双圆柱体尾流的迹线分布图。

具体实施方式

如图3-图5所示，本发明方法是在串列双圆柱体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，喷气孔分布在串列双圆柱体相异两侧。

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。

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3～20倍。由此调整串列双圆柱横向两侧的边界层、串列双圆柱之间的回流区、下游圆柱的回流区，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，消减圆柱的周期性交变荷载。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，上游圆柱喷气孔轴线方向与来流方向夹角为α，保持喷气孔的方位角α为10°～60°，下游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向夹角为(α+β)，α为10°～60°，β为5°～30°，便有效地消减两圆柱的周期性交变荷载。

以下结合实验给出应用本发明控制串列双圆柱振荡力的实例。对处于均匀流中单钝体基本流型下的串列双圆柱模型进行实验。单钝体基本流型对应的中心距取2D，串列双圆柱与来流方向垂直。圆柱体的长度为600mm，直径D为20mm。套层两端都有盖板密封，两端固定。套层的外直径30mm，内直径为25mm，长度为600mm；沿上游圆柱套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的一侧壁面指向下游的切线方向，下游圆柱体喷气孔沿远离两圆柱体流向对称中心面的另一侧壁面指向下游的切线方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，上游圆柱套层的喷气孔方向与来流方向的夹角为20°，下游圆柱套层的喷气孔方向与来流的夹角为30°；定常来流速度为4m/s。

图6给出了应用本发明前，小间距(Re＝4000，P/D＝2)串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，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0.5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。依图7可知，应用本发明方法后(α＝50°，β＝10°，p₁＝12.5psi，q＝0.06)，串列双圆柱体尾流的大尺度漩涡结构在喷射流体的剪切下已基本消失，两圆柱所受周期性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。

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串列双圆柱体的尾流，消减其流体振荡力与涡激振动。

Claims (8)

1.一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法，在串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，在套层上开多个喷气孔，其特征在于：喷气孔方向沿上游圆柱体套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的一侧壁面指向下游的切线方向、下游圆柱体套层横截面远离两圆柱体流向对称中心面的另一侧壁面指向下游的切线方向，所述的喷气孔分布在串列双圆柱体相异两侧；上游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向夹角为α，下游圆柱体喷气孔轴线方向与来流方向夹角为α+β；其中α为10°～60°，β为5°～30°；套层的两端与圆柱体表面密封连接；

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串列双圆柱体的涡激振动；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。

2.根据权利要求1所述的一种串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所述的一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的串列双圆柱体的中心距P为0.01D～5D，其中D表示圆柱体的截面直径。

4.根据权利要求1所述的一种串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。

5.根据权利要求1所述的一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的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。

6.根据权利要求1所述的一种串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。

7.根据权利要求6所述的一种串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。

8.根据权利要求1所述的一种串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0.01D～0.5D，其中D表示圆柱体的截面直径。