CN115199616A - 一种流致振动抑制装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流致振动抑制装置，包括柔性薄膜，被配置为连接至主体的外侧壁并包裹所述主体的至少部分表面，且所述柔性薄膜与所述主体之间形成密闭的空间；所述主体为在外界流体流动的作用下，能够产生振动现象的构件；所述密闭的空间的至少部分填充流体。本发明还公开了上述流致振动抑制装置在包含因外界流体产生振动的构件的装置中的应用。本发明利用柔性薄膜的被动控制装置以抑制流致振动，无需额外能量，无需改变结构外形，适用于任何来流方向，并且抑制效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及流体技术领域，尤其涉及一种流致振动抑制装置及其应用。
背景技术
流体流经结构时，会产生不对称交替的漩涡脱落，对结构施加周期性变化的载荷，从而诱发周期性振动。流致振动是工程领域中常见的流固耦合问题。深海立管是深海油气开发系统中一个重要部件，一般为细长柔性体。当漩涡脱落频率接近或等于立管的固有频率时，会引发共振，即涡激振动现象(Vortex induced vibration,VIV)。发生在立管上的涡激振动现象不仅会直接诱发立管的疲劳损伤，还会急剧增加立管的水动力载荷，是立管的安全设计和正常工作的极大隐患。海洋平台是深海油气资源开发的主力装备。单立柱或多立柱平台在海流作用下产生大幅度运动，即涡激运动现象(Vortex induced motion,VIM)。这会严重影响海洋平台系泊系统的疲劳寿命、增加系统载荷等。此外，桥梁锁链在风作用下会发生流致振动，会造成桥梁的强烈晃动，甚至会造成桥梁断裂的恶劣后果。流致振动现象会对结构产生诸多不良影响。
研究抑制流致振动的控制方法是十分必要且重要的。常用的控制方法有主动控制和被动控制两种方法。主动控制方法是通过一些额外的能量注入来控制流场和漩涡脱落，从而抑制振动。常见的主动控制技术有射流、吹吸、旋转、等离子体、电磁等。这些主动控制技术需要额外的能量注入，抑制效果具有较多不确定性，并且具有较大技术难度，因此大多都停留在理论研究阶段。被动控制方法的主要思路是优化结构几何形状、增加附加结构等。常见的有波浪形状、阶梯形状、螺旋列板、分流板、整流罩、控制棒等。被动控制装置设计较为简单、易于安装和维护，因此已有应用于实际工程的案例。但是，这些被动控制装置都一定程度上改变了结构的外形，并且多数都只适用特定的来流条件。比如，使用最为广泛的螺旋列板，它对流致振动的抑制效果虽然较为显著，但依赖于来流方向，并且还会增加结构的水动力载荷。
本发明提出了一种流致振动抑制装置及其应用，其利用柔性薄膜的被动控制装置以抑制流致振动，无需额外能量，无需改变结构外形，适用于任何来流方向，并且抑制效果显著。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种流致振动抑制装置，包括：
柔性薄膜，被配置为连接至主体的外侧壁并包裹所述主体的至少部分表面，且所述柔性薄膜与所述主体之间形成密闭的空间；所述主体为在外界流体流动的作用下，能够产生振动现象的构件；
流体，设置在所述密闭的空间内，其中，所述密闭的空间的至少部分填充所述流体。
进一步地，所述柔性薄膜被配置为可拆卸地连接至所述主体。
进一步地，所述柔性薄膜通过粘贴、收紧、压紧的任意一种方式连接至所述主体。
进一步地，所述柔性薄膜的相对的两端分别设置有连接件，所述连接件被配置为将所述柔性薄膜以可拆卸的方式连接至所述主体。
进一步地，所述连接件为粘结件。
进一步地，所述柔性材料为呈薄膜状且可变形的材料。
进一步地，所述柔性薄膜为一片式结构或多片式结构。
进一步地，所述柔性薄膜为多片式结构，所述柔性薄膜包括侧面部件和端部部件，其中所述端部部件位于所述侧面部件的相对的两端。
进一步地，所述柔性薄膜的形状被配置为根据所述主体的形状来设计。
本发明还提供了如上所述的流致振动抑制装置在包含因外界流体产生振动的构件的装置中的应用，将柔性薄膜连接至所述因外界流体产生振动的构件的外侧壁，使得所述柔性薄膜包裹所述构件的至少部分外表面，且在所述柔性薄膜与所述构件之间形成密闭的空间，并在所述密闭的空间内填充有流体。其中，包含因外界流体产生振动的构件的装置可以是海洋平台(海洋平台的立柱在海水的影响下会产生振动现象)，深海石油开采系统(用于输送石油的深海立管在海水影响下会产生振动现象)，索桥(其钢绞线在空气影响下会产生振动现象)等。
本发明具有以下有益的技术效果：
1、该流致振动抑制装置基于柔性薄膜，具有无需消耗能量、无需改变主体结构、简易轻便、易安装拆卸等优点；
2、该装置的使用不受到主体结构、连接方式、来流方向等外部因素的限制。也就是说，主体结构可以为刚性、柔性，其形状可以为规则形状或不规则形状；影响主体的流体，可以为液体、气体等。实验证明，本发明提出的流致振动抑制装置可以大幅抑制圆柱流致振动的振幅，改变流致振动的频率。此外，该柔性薄膜还一定程度上减小了流体载荷。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的第二个较佳实施例的结构示意图；
图3是本发明的第三个较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明提供了一种利用柔性薄膜的流致振动抑制装置，利用包裹在主体上的柔性薄膜，可以起到抑制振动的效果。该柔性薄膜的内外侧均有流体，其内侧的流体与外侧的流体(外界流体)可以是同一种流体，也可以是不同的流体。主体主要是指这样的构件：该构件放置在流体中，当外界流体流经该构件时，会在构件后产生不断交替的泄涡，进而引发构件振动。其中，这种振动可以包括涡激振动现象：当漩涡脱落频率接近或等于该构件的固有频率时，会引发共振(即涡激振动现象)。例如，在深海油气开发系统中，深海立管受到水流的影响，可能会产生振动现象；索桥上的钢绞线，受到空气流动的影响，可能会产生振动现象。应当理解，其他类似受到流体流动作用而容易产生振动现象的主体，均可以使用本发明的流致振动装置。
本发明的流致振动抑制装置，将柔性薄膜连接在主体的外侧，在柔性薄膜和主体之间形成密闭的空间，在该密闭空间内设置有流体，流体可以仅占据部分空间，不一定充满/胀满该薄膜；也可以整个密闭空间充满流体。
该柔性薄膜是基于软尾流动控制方法的原理。具体而言，使用柔性薄膜包裹物体，在物体和薄膜之间充盈着流体。柔性薄膜在内外流体相互作用下自适应，对物体周围的流动进行调控，改变了物体周围的流动和泄涡过程，从而抑制流致振动。
需要说明的是，本发明所请求保护的柔性薄膜装置，是附接在主体上的装置。该装置本身可以不依赖于本体而独立存在，因此本体是否存在、本体的材料、形状以及状态不构成对本申请的限定。未附接在本体上的装置同样落入本发明的保护范围。
柔性薄膜自身属性，以及其与主体的连接具有多种实施形式。柔性薄膜的材料范围广泛，任何可制成薄膜状且可变形的材料均可以，如塑料制品、织物、有机材料等；柔性薄膜的包裹范围可选，如全部包裹和局部包裹等，具体地，例如，柔性薄膜围绕主体的周向，包裹主体的全部表面；或者，柔性薄膜仅包括主体的一个侧面或部分侧面，即局部包裹；柔性薄膜的形状可依据实际应用场景调整，如一片式和多片式等；柔性薄膜固连于主体上的方法多样，如粘贴、收紧、压紧等。
以下通过多个实施例来详细描述本发明的流致振动抑制装置。
实施例1
如图1所示为本发明的一个较佳实施例。实施例1是一个应用于刚性主体的全包裹柔性薄膜装置的示意图。主体1在本实施例中为刚性圆管。柔性薄膜2为一片式，具体形状依据主体1来设计。柔性薄膜2通过连接件3与主体1连接。连接件3可以是粘结件，也可以是其他能够保证将柔性薄膜2从本体上1进行可安装拆卸的连接方式。在流体环境中，当柔性薄膜2与主体1相连后，柔性薄膜2与主体1之间的空间内容纳有内部流体，空间外是外部流体。当外部流体流动时，柔性薄膜2在内外部流体共同作用下，自适应形成一定形状，或自适应产生一定形式的运动，对流体进行调控，改善周围流场和泄涡形式，从而达到抑制流致振动的效果。由于柔性薄膜是全包裹形式，在主体1的周围都充盈着内部流体，因此无论外部流体的相对流向如何变化，该柔性薄膜2均能顺应外部流体的流向，持续地提供调控流场的作用。全包裹式柔性薄膜装置适用于任意流动条件。
实施例2
如图2所示为本申请的另一个较佳实施例。实施例2是一个应用于柔性主体的全包裹柔性薄膜装置的示意图。主体1在本实施例中为会发生变形的柔性圆管。类似实施例1所述，内外流体作用下，柔性薄膜2可自适应以调控流场，从而抑制流致振动。值得注意的是，主体1的变形形式和程度对柔性薄膜2几乎不产生影响，柔性薄膜2一定程度上也可以对主体1的变形起到抑制效果。
实施例3
如图3所示为本申请的另一个较佳实施例。实施例3是一个应用于主体的局部包裹柔性薄膜装置的示意图。本实施例中，柔性薄膜2为多片式，包含侧面部件21和端部部件22(图3中底部薄膜部件22未画出)，上部的端部部件22和底部的端部部件22分别位于侧面部件21的相对的两端。各部件形状依据主体1来设计。连接件3的形式无限定，只要是满足能够保证将柔性薄膜部件21和22从主体1结构上进行可安装拆卸的连接方式均可。柔性薄膜部件21和22通过连接件3安装在主体1的局部区域，该局部区域的空间位置和形状无限制。当外部流动的来流方向变化较小的情况下，在主体1背流侧的局部区域布置柔性薄膜部件21和22。柔性薄膜部件21和22与被柔性薄膜包裹的主体1局部表面之间充盈着内部流体。柔性薄膜包裹范围虽有不同，但该装置抑制流致振动的原理和效果是相同的。此局部包裹柔性薄膜装置较适用于来流条件相对固定、主体1结构复杂等特殊应用场景。
以上三个实施例表明了本发明的流致振动抑制装置的连接方式，并没有涉及具体的应用场景。本发明的流致振动抑制装置可以应用在多种容易受到外界流体流动产生涡激振动现象的场合，例如，海洋平台中可以应用本发明的流致振动装置，将柔性薄膜连接至海洋平台的立柱；在深海油气开发系统中，可以将柔性薄膜连接至输送油气的深海立管上；在索桥中，可以将柔性薄膜连接至钢绞线。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种流致振动抑制装置，其特征在于，包括：
柔性薄膜，被配置为连接至主体的外侧壁并包裹所述主体的至少部分表面，且所述柔性薄膜与所述主体之间形成密闭的空间；所述主体为在外界流体流动的作用下，能够产生振动现象的构件；
流体，设置在所述密闭的空间内，其中，所述密闭的空间的至少部分填充所述流体。
2.如权利要求1所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜被配置为可拆卸地连接至所述主体。
3.如权利要求2所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜通过粘贴、收紧、压紧的任意一种方式连接至所述主体。
4.如权利要求2所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜的相对的两端分别设置有连接件，所述连接件被配置为将所述柔性薄膜以可拆卸的方式连接至所述主体。
5.如权利要求4所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述连接件为粘结件。
6.如权利要求1所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性材料为呈薄膜状且可变形的材料。
7.如权利要求1所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜为一片式结构或多片式结构。
8.如权利要求7所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜为多片式结构，所述柔性薄膜包括侧面部件和端部部件，其中所述端部部件位于所述侧面部件的相对的两端。
9.如权利要求1所述的流致振动抑制装置，其特征在于，所述柔性薄膜的形状被配置为根据所述主体的形状来设计。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的流致振动抑制装置在包含因外界流体产生振动的构件的装置中的应用，其特征在于，将柔性薄膜连接至所述因外界流体产生振动的构件的外侧壁，使得所述柔性薄膜包裹所述构件的至少部分外表面，且在所述柔性薄膜与所述构件之间形成密闭的空间，并在所述密闭的空间内填充有流体。
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