CN114086809A - 一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，可有效地抑制方柱形钝体结构的风致振动，护套在面向来流和背向来流的两侧表面为实心结构，在护套的横流两侧延其轴向为阵列结构排列的多孔结构，多孔结构内含有多个气流过渡孔，多个所述的气流过渡孔沿护套的径向以固定间隔呈放射状在横流向两侧的护套内部，并在所述的护套横流向两侧的外壁面贯通，在所述的护套内部延其轴向开有第一通气道与所有的气流过渡孔底部连通，第一通气道的端面作为本控制装置的出气端，用于防护的气流从护套横流向两侧的外壁面的气流过渡孔吸入，从所述的出气端排出。具有控制效率高，对方柱形钝体结构的风致振动具有明显的抑制作用的优点。

Description

一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置
技术领域
本发明涉及大型建筑结构风致振动控制领域，具体涉及一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置。
背景技术
方柱形结构是大型结构中基本的结构形式，常应用于高层建筑、桥梁的桥塔和近海平台等。随着建筑高度和桥梁跨径的增加，结构的自由长度会随之增大，使得刚度减小，柔度增大，动力学特性更加复杂。方柱形结构属于钝体的一种，当大气中的气流流经钝体时，剪切层会发生分离，并在结构的尾流区产生周期性脱落的旋涡。周期性脱落的旋涡会对结构产生周期性的作用力，使结构发生涡激振动，属于一种常见的流固耦合现象。结构的涡激振动会在相当大的风速范围内发生，一般情况下振动幅值较小，而当旋涡脱落的频率与结构自振的某阶频率相近时，会发生“锁定”现象，使结构的振幅增大。涡激振动的长期作用可能会使得结构发生疲劳甚至破坏。因此，需采取适当的措施对钝体结构的风致振动进行控制。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的在于提出一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，能够对大型建筑结构的风致振动进行有效地控制，在使用时可将本控制装置作为护套，完全地均匀覆盖于大型建筑结构的外侧表面，当大型建筑结构较高时，可将本控制装置安装于结构的重要区段上。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，包括方形轴向中空的护套，所述的护套套在被防护的大型建筑结构的表面，所述的护套在面向来流和背向来流的两侧表面为实心结构，在所述的护套的横流两侧延其轴向为阵列结构排列的多孔结构，所述的多孔结构内含有多个气流过渡孔，多个所述的气流过渡孔沿护套的径向以固定间隔呈放射状在横流向两侧的护套内部，并在所述的护套横流向两侧的外壁面贯通，在所述的护套内部延其轴向开有第一通气道与所有的气流过渡孔底部连通，所述的第一通气道的任意一侧或两侧的端面作为本控制装置的出气端，外部吸气设备通过管路与所述的第一通气道的一侧或同时两侧连接，用于防护的气流从护套横流向两侧的外壁面的气流过渡孔吸入，从所述的出气端排出，从而抑制了被防护结构横风向的剪切层分离，减小尾流区宽度并削弱回流效应，改变旋涡脱落周期，削弱作用于被防护结构上的气动力效应，用以对被防护结构的风致振动进行控制。
进一步的，所述的气流过渡孔的直径沿所述的护套的中心向外侧逐渐增大。
进一步的，所述的气流过渡孔的直径沿所述的护套的中心向外侧逐渐增大。
进一步的，在所述的护套内部延其轴向还开有第二通气道与所有的气流过渡孔的中部连通，外部吸气设备通过管路与所述的第二通气道的任意一侧或同时两侧连接。
进一步的，所述的第一和第二通气道互相平行。
进一步的，所述的气流出口段安装有控制阀门，当需要使用本控制装置对结构的风致振动进行控制时，将阀门打开，不需要使用时，可将阀门关闭。
进一步的，所需外部吸气设备的吸气流率Q的公式如下：
Figure BDA0003388257780000021
式中Q为吸气流率，Cm为无量纲吸气动量系数，Asuc为护套外壁面所有气流过渡孔的总面积，U0为来流风速，B为方柱形结构的横截面边长，Lsuc为本风致振动控制装置在方柱形钝体结构上沿轴向的分布长度；根据所需要的控制效果，确定无量纲吸气动量系数Cm，进而确定所需的吸气流率Q。
本发明的优点及有益效果：本发明使气流流经方柱形钝体结构时的剪切层分离得到抑制，削弱了剪切层间的相互作用，改变了尾流区的旋涡脱落频率，使结构在气动力作用下的动力响应减小，避免在一定风速范围内发生“锁定”现象；控制效率高，对方柱形钝体结构的风致振动具有明显的抑制作用。具有控制效率高，对方柱形钝体结构的风致振动具有明显的抑制作用的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的控制装置结构立体示意图。
图2为本发明实施例1的径向剖面示意图。
图3为本发明实施例1的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置工作原理示意图。
图4为本发明实施例1的无控条件下的瞬时流场涡量图。
图5为本发明实施例1的无控条件下的时均流场流线与湍动能图。
图6为本发明实施例1的安装主动吸气的钝体风致振动控制装置条件下的瞬时流场涡量图。
图7为本发明实施例1的安装主动吸气的钝体风致振动控制装置条件下的时均流场流线与湍动能图。
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
如图1-2所示，一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，包括方形轴向中空的护套，所述的护套套在被防护的大型建筑结构的表面，所述的护套在面向来流和背向来流的两侧表面为实心结构，在所述的护套的横流两侧延其轴向为阵列结构排列的多孔结构，所述的多孔结构内含有多个气流过渡孔1，多个所述的气流过渡1，沿护套的径向以固定间隔呈放射状在横流向两侧的护套内部，并在所述的护套横流向两侧的外壁面贯通，在所述的护套内部延其轴向开有第一通气道2与所有的气流过渡孔1底部连通，所述的第一通气道2的任意一侧或两侧的端面作为本控制装置的出气端，当一侧作为出气端时，另一侧封闭，外部吸气设备通过管路与所述的第一通气道2的一侧或同时两侧连接，用于防护的气流从护套横流向两侧的外壁面的气流过渡孔吸入，从所述的出气端排出，从而抑制了被防护结构横风向的剪切层分离，减小尾流区宽度并削弱回流效应，改变旋涡脱落周期，削弱作用于被防护结构上的气动力效应，用以对被防护结构的风致振动进行控制。其中，所述的气流过渡孔1的直径沿所述的护套的中心向外侧逐渐增大。所述的出气端安装有控制阀门，当不需要对结构的风致振动进行控制时，可将阀门关闭。
实施例2
本实施例的结构与实施例1相同，其不同之处在于，在所述的护套内部延其轴向还开有第二通气道3与所有的气流过渡孔的中部连通，外部吸气设备通过管路与所述的第二通气道3的任意一侧或同时两侧连接，当第一通气道2和第二通气道3的一侧作为出气端时，另一侧封闭。
实施例3
如图3所示，在方柱形结构上应用本控制装置，所需外部吸气设备的吸气流率Q的公式如下：
Figure BDA0003388257780000031
式中Q为吸气流率，Cm为无量纲吸气动量系数，Asuc为护套外壁面所有气流过渡孔的总面积，U0为来流风速，B为方柱形结构的横截面边长，Lsuc为本风致振动控制装置在方柱形钝体结构上沿轴向的分布长度；根据所需要的控制效果，确定无量纲吸气动量系数Cm，进而确定所需的吸气流率Q。
利用粒子图像测速PIV技术，对方柱形结构的绕流场进行无接触式测量，如图4和图5所示为无控方柱形结构绕流的瞬时xy平面涡量ωz结果与经时间平均后的流线和湍流动能TKE结果。图4中的瞬时涡量结果表明，自然状态下的无控方柱形结构流动分离现象十分突出，尾流区存在周期性反对称脱落的旋涡；图5的时均流场流线与湍动能结果表明，自然状态下的无控方柱形结构尾流中的湍动能较高，尾流较宽。
图6和图7给出了安装本发明的风致振动控制装置后的方柱形结构绕流的瞬时xy平面涡量ωz结果与经时间平均后的流线和湍流动能TKE结果。图6所示的瞬时涡量结果表明，尾流中原始脱落的大尺度的旋涡已破碎成多个小尺度的旋涡，涡量分布的周期性改变，剪切层分离的趋势得到抑制，涡量分布有向方柱形结构后驻点集中的趋势。图7的时均流线和湍动能结果表明，方柱形结构尾流的湍动能得到削弱，回流效应减弱，尾流宽度减小。以上结果表明，本装置可对结构的尾流中的湍流特性具有明显的抑制作用，使旋涡脱落模式和周期发生改变，削弱剪切层的流动分离趋势，减小尾流区宽度，改变横流向作用于方柱形钝体结构上的气动力，有效地抑制结构的风致振动。

Claims (6)

1.一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，包括方形轴向中空的护套，所述的护套套在被防护的大型建筑结构的表面，其特征在于，所述的护套在面向来流和背向来流的两侧表面为实心结构，在所述的护套的横流两侧延其轴向为阵列结构排列的多孔结构，所述的多孔结构内含有多个气流过渡孔，多个所述的气流过渡孔沿护套的径向以固定间隔呈放射状在横流向两侧的护套内部，并在所述的护套横流向两侧的外壁面贯通，在所述的护套内部延其轴向开有第一通气道与所有的气流过渡孔底部连通，所述的第一通气道的任意一侧或两侧的端面作为本控制装置的出气端，外部吸气设备通过管路与所述的第一通气道的一侧或同时两侧连接，用于防护的气流从护套横流向两侧的外壁面的气流过渡孔吸入，从所述的出气端排出，从而抑制了被防护结构横风向的剪切层分离，减小尾流区宽度并削弱回流效应，改变旋涡脱落周期，削弱作用于被防护结构上的气动力效应，用以对被防护结构的风致振动进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，其特征在于：所述的气流过渡孔的直径沿所述的护套的中心向外侧逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，其特征在于：在所述的护套内部延其轴向还开有第二通气道与所有的气流过渡孔的中部连通，外部吸气设备通过管路与所述的第二通气道的任意一侧或同时两侧连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，其特征在于：所述的第一和第二通气道互相平行。
5.根据权利要求4所述的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，其特征在于：所述的出气端安装有控制阀门。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于结构化多孔表面主动吸气的钝体风致振动控制装置，其特征在于：所需外部吸气设备的吸气流率Q的公式如下：
Figure FDA0003388257770000011
式中Q为吸气流率，Cm为无量纲吸气动量系数，Asuc为护套外壁面所有气流过渡孔的总面积，U0为来流风速，B为方柱形结构的横截面边长，Lsuc为本风致振动控制装置在方柱形钝体结构上沿轴向的分布长度；根据所需要的控制效果，确定无量纲吸气动量系数Cm，进而确定所需的吸气流率Q。
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