CN207229307U - 具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，所述围护结构的外表面设有若干环绕所述围护结构的环形凹槽，以使所述围护结构的外表面形成凹凸相间的环形凹槽、环形凸台，所述凹槽、所述环形凸台用于打破层流边界层。借助凸凹外表面，可打破边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上阻止涡激振动的成因；引风沟槽使得上风来流偏离后，进一步打破环形凸台以及环形凹槽的边界层流动、流态相关性，产生的噪音也很小。

Description

具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构
技术领域
本实用新型涉及围护结构技术领域，具体涉及一种具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构。
背景技术
请参考图1-1，图1-1为风力发电装备构成示意图。
风力发电装备的基础为塔筒10，对整机起承载作用，起围护作用，作为示例，以一个圆形截面塔筒10为例，塔筒10可以是钢筒，也可以是钢筒与混凝土塔筒的组合。塔筒10承载着风力发电装备的机舱30、发电机、风轮机20。包括风轮机20和发电机的风力发电机组完成获取风能并转化成电能的任务。转化成的电能经电力传输电缆40或电力输送母排传输，图中所示的电力传输电缆40从机舱30引出后由塔筒10顶部的电缆挡圈限位，电缆挡圈固定于电缆挡圈固定板50，然后经马鞍面支架60后沿塔筒100的内壁垂下至变流柜70处。塔筒10的下端还设有塔架门80。
转化获得的电能经过风力发电机组的开关柜控制，借助电力传输电缆40或电力输送母排导线输运至完成电力电能变换任务的变流器(在变流柜70内)，再经过变流器处理后可获得能与电网对接规则要求的电能。因此，风力发电装备的塔筒10可以说是是风力发电的塔杆，在风力发电机组装备中主要起支撑作用。
同时，塔筒10承载由机舱30、风轮机20、发电机产生的结构风荷载或由此引发的顺风向振动和横风向振动，即：风致结构振动问题。
请参考图1-2，图1-2为塔筒分段吊装的示意图。
塔筒10目前一般分段安装，如图2所示，作为举例，从下至上依次为第一塔筒段11、第二塔筒段12、第三塔筒段13、第四塔筒段14、第五塔筒段15。风力发电装备的安装过程中，首先将第一塔筒段11安装于塔筒10的地基基础90上，然后其他塔筒段被逐段吊装，在相互连接之后，塔筒10顶部(图2中的第五塔筒段15)与机舱30的偏航系统连接，机舱30与发电机对接，发电机(或齿轮箱)再与风轮机20对接。
具体吊装过程如下：
吊装塔筒10前，先清洁与第一塔筒段11连接的地基基础90的基础环，把多根螺栓(如120根)螺纹处抹油后放在基础环内圈处，同时将风力发电装备的控制柜吊入到基础环内；
对第一塔筒段11的上端安装吊具，此处由主吊承担对第一塔筒段11上端的吊起，也同时对第一塔筒段11的下端安装吊具，此处由塔筒辅吊承担吊起任务，两吊车同时起吊，当第一塔筒段11的高度大于第一塔筒段11最大直径后，主吊提升第一塔筒段11上端的高度，辅吊停下，当第一塔筒段11吊到垂直地面位置后把辅吊移开，卸掉第一塔筒段11下端的吊具；
将第一塔筒段11的法兰面连接好后，把螺栓从下往上穿，带好螺母后用电动扳手拧紧，至少对螺母实施拧紧3遍工序(等到整台风力发电装备吊装工序完成后，再用力矩扳手对塔筒连接螺母实施拧紧到要求的力矩值)；
其余的塔筒段与第一塔筒段11吊装过程相同，把最上段的塔筒段吊装完毕后，准备吊装机舱。
以上这些对接、连接的安装工序都在对风电场小地域环境局部风不可预测的情况下开展施工。因此，在吊装安装过程中，常会遇到大小变化不定的阵风或持续的小风，而如上所述，这些阵风或持续风有可能对塔筒诱发振动，破坏围护结构稳定、危及现场人身和设备的安全，推迟安装工期。例如，吊装第四塔筒段14后，第四塔筒段14存在振动，导致第五塔筒段15无法对准；甚至，紧固的螺栓可能会在震动作用下断裂，从而危及安全。
目前，风电行业吊装过程工程安全要求明确规定：风速大于6m/s时禁止叶片组吊装；风速大于8m/s时严禁机舱吊装；风速大于10m/s时严禁塔筒吊装。可见，现场吊装进度、安装工期明显受到局部区域风况的限制。对于高海拔、高山地域风电场的建设而言，工期更是容易受到影响。
请参考图2～图3-6，图2为现有技术中具有一定抑制振动功能的塔筒结构示意图；图3-1～图3-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数三个区间的关系示意图，雷诺数(Re)的三个区间从图3-1至图3-6分别是，Re﹤5、5＜Re﹤15、40＜Re﹤150。
根据物体结构周围气流绕流模式的不同，将结构分为钝体和像飞行器的机翼或船帆这样的流线体。
当Re﹤5时，流体流动将附着在圆柱体的整个表面上，即流动不分离。
当5＜Re﹤40时，流动仍然是对称的，但出现了流动分离，在背风面形成两个对称排列的稳定漩涡，随着雷诺数的增大漩涡向外拉长，发生畸形。
40＜Re﹤150时，从雷诺数Re＝40开始，漩涡将从圆柱体表面后方交替脱落，流入到圆柱体背后附近流体中形成剪切层，不稳定的剪切层很快卷成漩涡，向下游流动，形成卡门涡街，即涡激振动。此时的漩涡脱落是规则的，且具有周期性。
150＜Re﹤300时，是从层流向紊流过渡的转变期，此时周期性的漩涡脱落被不规则的紊流所覆盖。
300＜Re﹤3×105时，称为亚临界区，圆柱体尾流在分离后主要表现为紊流尾流，漩涡脱落开始不规则，涡脱频率的周期可以大致定出，但涡脱时的干扰力将不再对称，而是随机的。
3×105＜Re﹤3×106时，称为超临界区，漩涡脱落点向后移动，已经无法辨认涡街，成了完全无周期的涡流。
3×106＜Re，称为跨临界区，圆柱体后方尾流十分紊乱，但又呈现出有规律的漩涡脱落。
当均匀气流流经(横掠、绕流)钝体(圆柱体)时，在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物(塔筒表面接触面)产生一个周期性变化的作用力——涡激力。被绕流的塔筒结构物下端与地下的地基基础构成单自由端振动体系(即塔筒的上端浸没在空气流中，塔筒最下端被固定在地基基础上)，当漩涡脱落频率与塔筒结构物的某阶自振频率相一致时，塔筒表面受到的周期性的涡激力(不平衡力)将引起塔筒体系结构的涡激共振(vortex-induced vibration)响应。
涡脱频率等于结构体系的塔筒及其基础振动体系的固有频率的条件，是在一定风速下才能满足的，但是固有频率为的塔筒及其基础振动体系将对漩涡的脱落产生某种反馈作用，使得涡脱的频率在一定的风速范围内被塔筒及其基础振动体系的振动频率所“俘获”，使其在这一风速范围内不随着风速的改变而改变，这种现象被称为锁定，锁定将扩大塔筒结构受涡激发生共振的风速范围。
现代大型MW级风力发电机组的塔筒高度可达60～100m，塔筒10顶部装有主机架、副机架、轮毂和叶片(即风轮机20)等主要部件。风力发电机组运行时，塔筒10受到的载荷除了顶部零部件产生的重力和风轮旋转产生的动载荷外，还要受到自然风的作用，包括顺风向和横风向两种作用形式。风吹动叶轮旋转时会对塔筒产生弯矩和力，这种由顺风向产生的弯矩和力是塔筒10发生破坏的主要原因。风绕过塔筒10时产生的涡流还会引起使塔筒10发生共振破坏的横向振动。
风吹过塔筒10时，尾流左右两侧产生成对的、交替排列的及旋转方向相反的反对称漩涡，即卡门漩涡。漩涡以一定频率脱离塔筒10，使塔筒10发生垂直于风向的横向振动，也称风诱发的横向振动，即涡激振动。当漩涡的脱离频率接近塔筒固有频率时，塔筒10容易发生共振而破坏。
图2中，在塔筒10外壁缠绕设置螺旋线10a(或螺旋板)，用来抑制塔筒10表面发生的旋涡脱落。其中，螺旋线10a(或螺旋板)在不同的螺距布置时，有不同的横向振荡抑制效果；螺旋线10a高度增加利于破坏涡街发放周期，涡街生成及发放更不规则，利于抑制涡激振动，同时噪声、塔筒前后产生的阻力也逐渐增大，沿着风向俯仰振动幅度会增大。
上述技术方案存在下述技术问题：
螺旋线10a抑制振动的效果依然不够理想。
螺旋线10a(或螺旋板)在塔筒表面的覆盖率会影响横向振荡抑制效果，覆盖率达到(或超过)50％时，抑制横向振动的效果会更好，但此时螺旋线10a(或螺旋板)与空气流的风致噪声对自然环境生物的严重影响是生态法规所不允许的；基于此，即便安装螺旋线10a(或螺旋板)也仅仅用在吊装阶段，无法考虑长期运行。
有鉴于此，如何改善风力发电装备安装受到区域风况限制的情况，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，该围护结构可以抑制涡激振动，从而改善围护结构在安装时受到风况限制的情形，并且在安装后也可以持续抑制涡激振动。
本实用新型提供的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，所述围护结构的外表面设有若干环绕所述围护结构的环形凹槽，以使所述围护结构的外表面形成凹凸相间的环形凹槽、环形凸台，所述环形凹槽、所述环形凸台用于打破气流边界层。
可选地，所述环形凹槽沿所述围护结构的周向呈波浪状设置。
可选地，所述环形凹槽的底部和/或所述环形凸台的外表面设有沿所述围护结构周向分布的绊流凸起。
可选地，所述绊流凸起的一侧表面贴附于所述环形凹槽或所述环形凸台，另一侧表面为弧形，以供气流绕过，且所述绊流凸起的外表面设有若干横向凸棱。
可选地，从上至下，所述绊流凸起沿所述围护结构周向分布的密度逐渐增加。
可选地，所述环形凹槽的横截面呈弧形或U形。
可选地，所述环形凸台由胶带粘结于所述围护结构的外表面形成，所述胶带之间形成所述环形凹槽。
可选地，所述环形凹槽的深度均为2-5mm。
可选地，所述环形凸台的宽度大于所述环形凹槽的宽度，且：
其中，H1为所述环形凹槽的宽度，所述H2为所述环形凸台的宽度。
可选地，从下至上，所述环形凹槽的深度逐渐增加，和/或，所述环形凹槽的宽度逐渐增加。
可选地，所述围护结构为风力发电机组的塔筒。
可选地，所述环形凹槽、所述环形凸台均设于所述塔筒的上部，设有所述环形凹槽、所述环形凸台的所述塔筒的段落高度大于叶片的长度。
可选地，所述围护结构的内壁设有振动监测装置。
本实用新型围护结构具有凸凹外表面，产生的技术效果以及机理如下：
一、本实施例在塔筒外表面设置凸凹外表面，则借助外表面，可介入自然力空气流流场，改变现有技术中塔筒周围原有的上风向来流对塔筒绕流形成的边界层，改变了上风向来流绕流塔筒的流场，打破边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上阻止涡激振动的成因，即阻止塔筒后方背风侧两侧卡门涡街现象的发生、阻止塔筒涡激响应、涡激响应的放大、抑制塔筒被诱发振动。
尤为重要的是，本实用新型塔筒设置凸凹外表面，抑制涡激振动的主要机理在于打破边界层，致力于从根本上消除涡激成因，故环形凹槽的深度较小，不会影响塔筒外表面的强度，产生噪音也会很低，能够达到环境标准，因此不仅在安装阶段可以使用，安装之后也可以长期使用。优选地环形凹槽深度在2-5mm，易于加工制造，并可以满足打破一般只有1-2mm厚度边界层的需求，同时该深度又可以避免潮湿环境下霉菌填满环形凹槽。这相对于背景技术中螺旋线形成的螺旋槽而言，深度几乎可以忽略，故而解决了螺旋线的噪音问题。而且，从抑制涡激振动的机理来说，本方案从绕流脱体引起的涡激振动成因出发，涡激振动的抑制效果更好，也不会诱发其他振动。
二、当上风向来流绕流塔筒，经过外表面的环形凹槽、环形凸台时，可促使塔筒外表面的边界层提前湍流，从而抑制逆压梯度下绕流脱体回流，抑制或阻止边界层分离塔筒外表面，使得塔筒局部段落或全部段落，相对绕流气流的空气动力系数C变小。当结构的截面尺寸已定，而空气动力系数C得以减小时，可以减小振动的振幅，达到抑制振动的目的。
三、发明人研究发现，当塔筒从与自身频率相同的漩涡中吸取能量时，塔筒上部的结构振动形态会发生变化，发生了变化的塔筒围护结构又会对气流产生作用，使集中在塔筒结构基频上的能量越来越大，从而激发了塔筒结构的涡激共振。
本方案中，塔筒外表面凸凹相间，干扰上风向来流，从而使上风向来流具有一定的紊流强度。而当上风向来流具有一定的紊流强度时，上风向来流中已经携带各种能量的漩涡，具有各种频率成分的能量，这些能量分散性较大，具有脉动性，此时经过塔筒外表面时，塔筒外表面结构对上风向来流的整合作用是发生在上风向来流中已经有漩涡基础上的。而在杂乱无章的上风向来流基础上再将其改造成与塔筒振动基频相同的漩涡是不容易的客观事实，因此，凸凹表面以及引风沟槽的干涉使得涡激振动得以抑制。
四、当在塔筒局部设置凸凹外表面时，由于塔筒局部段落的出现，上风向气流绕流塔筒整体上被分成两段、两种情形，上部有凸凹外表面的段落，下部没有凸凹表面的段落；这也就打破了整体上风向来流沿着塔筒外表面时的上下相关性，阻止脉动压力一致性，根本上阻止涡激成因。
需要说明的是，当设置凸凹表面对应于塔筒顶部的叶片时，环形凹槽部分的塔筒周长减小，气流可以更快速地通过，减小与顶部叶片背面空气流状态的差距，减缓滞止现象，减小对变桨轴承的脉动性荷载疲劳破坏。
附图说明
图1-1为风力发电装备构成示意图；
图1-2为塔筒分段吊装的示意图；
图2为具有一定抑制振动功能的塔筒结构示意图；
图3-1～3-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数六个区间的关系示意图；
图4为本实用新型所提供围护结构第一种具体实施例的结构示意图；
图5为塔筒外表面斯托罗哈数与雷诺数的关系示意图；
图6为塔筒外表面的环形凹槽呈波浪形设置的结构示意图；
图7为在塔筒环形凸台外表面设置绊流凸起的结构示意图；
图8为图7中绊流凸起的结构示意图；
图9为在塔筒环形凹槽底部设置绊流凸起的结构示意图；
图10示出塔筒外表面环形凹槽的不同结构示意图；
图11为塔筒外表面环形凹槽宽度与环形凸台的高度对比示意图；
图12为内壁设有振动监测装置的塔筒示意图。
图1-图3-6中附图标记说明如下：
10塔筒、11第一塔筒段、12第二塔筒段、13第三塔筒段、14第四塔筒段、15第五塔筒段、10a螺旋线、20风轮机、30机舱、40电力传输电缆、50电缆挡圈固定板、60马鞍面支架、70变流柜、80塔架门、90地基基础；
图4-12中附图标记说明如下：
100塔筒、101环形凹槽、102环形凸台、103绊流凸起、103a横向凸棱、104振动监测装置；
200机舱、300叶片、400塔筒基础。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
请参考图4，图4为本实用新型所提供围护结构第一种具体实施例的结构示意图。
该围护结构具体为风力发电机组的塔筒100，下文也以此为例进行示例说明，塔筒100顶部设有机舱200、机舱200连接叶片300，塔筒100底部连接于塔筒基础400。
如图4所示，塔筒100的外表面设有若干环绕塔筒100的环形凹槽101，塔筒100外表面就形成凹凸相间布置的若干环形凹槽101、环形凸台102，则塔筒100具有凸凹外表面。
这种凸凹外表面，产生的技术效果以及机理如下：
一、本实施例在塔筒100外表面设置凸凹外表面，则借助外表面，可介入自然力空气流流场，改变现有技术中塔筒100周围原有的上风向来流对塔筒100绕流形成的边界层，改变了上风向来流绕流塔筒100的流场，打破边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上阻止涡激振动的成因，即阻止塔筒100后方背风侧两侧卡门涡街现象的发生、阻止塔筒100涡激响应、涡激响应的放大、抑制塔筒100被诱发振动。
尤为重要的是，本实用新型塔筒100设置凸凹外表面，抑制涡激振动的主要机理在于打破边界层，致力于从根本上消除涡激成因，故环形凹槽101的深度较小，不会影响塔筒100外表面的强度，产生噪音也会很低，能够达到环境标准，因此不仅在安装阶段可以使用，安装之后也可以长期使用。优选地环形凹槽101深度在2-5mm，易于加工制造，并可以满足打破一般只有1-2mm厚度边界层的需求，同时该深度又可以避免潮湿环境下霉菌填满环形凹槽。这相对于背景技术中螺旋线形成的螺旋槽而言，深度几乎可以忽略，故而解决了螺旋线的噪音问题。而且，从抑制涡激振动的机理来说，本方案从绕流脱体引起的涡激振动成因出发，涡激振动的抑制效果更好，也不会诱发其他振动。
二、当上风向来流绕流塔筒100，经过外表面的环形凹槽101、环形凸台102、引风沟槽102a时，可促使塔筒100外表面的边界层提前湍流，从而抑制逆压梯度下绕流脱体回流，抑制或阻止边界层分离塔筒100外表面，使得塔筒100局部段落(局部设有环形凸台102、环形凹槽101的段落)或全部段落，相对绕流气流的空气动力系数C变小，因为绕流塔筒100的阻力降低。
当塔筒100结构物发生涡激共振时，作用于塔筒100结构外表面上的涡激力(即不平衡受力)近似为一个简谐力F(t)：
F(t)＝F0sinωt (1)
式中：ω(Re，St)为旋涡脱落的频率，ωt整体为变量；Re是雷诺数，为无量纲数。
F0为涡激力振幅值，F0＝(ρU2/2)CD；
ρ为塔筒100上风向来流密度；
U为塔筒100上风向来流风速；
C为塔筒100结构截面的空气动力系数；空气动力系数也称风载体型系数，它是风在工程结构表面形成的压力(或吸力)与按来流风速算出的理论风压的比值。它反映出稳定风压在工程结构及建筑物表面上的分布，并随建筑物形状、尺度、屏蔽状况以及气流方向等而异；
D为塔筒100结构外表面被流体横掠时的特征尺度；是流体经过障碍物、绕流障碍物时的障碍物面对流体形成的空间结构的特征尺度，是传热学领域通用术语。本实施例中，是指围护结构(这里是塔筒外表面形状)与流体接触面(这里是空气流)的特征尺度，通常取垂直于风向的结构宽度，塔筒100在相应高度处的外径。
Re为雷诺数；
涡激力引起的塔筒100结构横向振幅变化为：
式中：K为塔筒100结构体系(可以包括机舱)的刚度；
δ为对数衰减率(大约0.05)。
当上风向来流的风速达到一定合适的数值、并持续作用一段时间后，塔筒100结构可能发生涡激共振，此时振动的振幅A：
上式的即斯脱罗哈数，斯托罗哈数的定义描述了漩涡脱落频率、风速和圆柱体直径之间的关系；
式中：f为涡脱频率，Hz；
U为塔筒100上风向来流风速；
D为塔筒100结构外表面被流体横掠时的特征尺度。
D在本实施例中指塔筒100不同高度处的外径。此外径会变化，当上风向来流非水平，而是以一定倾角的方式绕流塔筒100时，绕流塔筒100外围的路径形成近似椭圆，如上述气动外形的描述，这时特征尺寸D就为气动外形椭圆的当量直径(传热学专门术语，是一种假想的圆形截面的直径，即非圆形截面按照周长折算成圆形截面后的直径)。此时，被流体润湿或与流体接触的边界变得更加流线型化，远离钝化。从振动形式上看，涡激共振是带有自激与强迫双重性质的限幅振动。
斯托罗哈数可以根据雷诺数获取，与雷诺数的关系可以参考图5，图5为塔筒外表面斯托罗哈数与雷诺数的关系示意图，横轴为雷诺数，纵轴为斯托罗哈数。雷诺数达到2×105之前，斯托罗哈数为常数0.20；之后，随着雷诺数增大，斯托罗哈数先跳到0.30，再增加至0.43，随后当雷诺数等于2×106时又降到0.2。因此，斯托罗哈数、D、U均是可以获得的参数，f也可以根据斯托罗哈数的公式计算获得，相应地，振幅A也可以计算获得。
从式(3)可以看出，当结构的截面尺寸已定，而空气动力系数C得以减小时，可以减小振动的振幅，达到抑制振动的目的。
三、发明人研究发现，当塔筒100从与自身频率相同的漩涡中吸取能量时，塔筒100上部的结构振动形态会发生变化，发生了变化的塔筒100围护结构又会对气流产生作用，使集中在塔筒100结构基频上的能量越来越大，从而激发了塔筒100结构的涡激共振。
本方案中，塔筒100外表面凸凹相间，干扰上风向来流，从而使上风向来流具有一定的紊流强度。而当上风向来流具有一定的紊流强度时，上风向来流中已经携带各种能量的漩涡，具有各种频率成分的能量，这些能量分散性较大，具有脉动性，此时经过塔筒100外表面时，塔筒100外表面结构对上风向来流的整合作用是发生在上风向来流中已经有漩涡基础上的。而在杂乱无章的上风向来流基础上再将其改造成与塔筒100振动基频相同的漩涡是不容易的客观事实，因此，凸凹表面以及引风沟槽102a的干涉使得涡激振动得以抑制。
四、本实施例中，环形凹槽101、环形凸台102可以设于塔筒100的上部，可以理解，将整个塔筒100或是塔筒100其他段落设置凸凹外表面也可以起到抑制涡激振动的作用。但相较于下部而言，上部的振动更为明显，带来的振动破坏力更强，抑制振动的需求也就更大，所以仅在上部设置凸凹外表面可以满足塔筒100的振动抑制需求。如图4所示，从塔筒100顶部往下L高度处，布置有凸凹外表面，以虚线框表示。
此外，当在塔筒100上部设置凸凹外表面时，由于塔筒100局部段落(有凸凹外表面的段落)的出现，上风向气流绕流塔筒100整体上被分成两段、两种情形，上部有凸凹外表面的段落，下部没有凸凹表面的段落；这也就打破了整体上风向来流沿着塔筒100外表面时的上下相关性，阻止脉动压力一致性，根本上阻止涡激成因。
整体上，上部有凸凹外表面的段落的塔筒100绕流气流紧贴塔筒100外表面，后部外表面不发生边界层分离和卡门涡街现象，阻碍上部塔筒100后方两侧漩涡的形成；下部绕流气流速度低，也没有凸凹外表面的干涉，本质上，彻底打乱现有技术中塔筒100上部旋涡脱落和下部旋涡脱落频率一致的情形，从而它们将共同作用削弱、降低或阻止塔筒100外表面边界层绕流脱体时的涡激共振响应；阻止塔筒100上部涡激诱发的振动。第二种情形是在上部段落表面结构特征(凸凹面)的出现，打破局部相关性，阻止脉动压力一致性、根本上阻止涡激成因。
相关性是脉动风的重要特征，在这里它与空间两点的脉动风速或塔筒100不同高度的表面两点的脉动压力有关。
相关系数ρ定义为
在两个不同高度处(Z1、Z2)，脉动风速的协方差定义如下：
因此，协方差是两个高度处脉动风速乘积的时间平均。等式右侧的每个风速值都减去了各自的平均值和
在数学上，标准差的公式可写成：
式中U(t)——平均风速方向上的风速分量，其等于
u(t)为顺风向湍流分量，即平均风速方向上的脉动风速分量。
分子表示塔筒100在两个不同高度处有不同的风速，脉动风速的协方差。
协方差是两个高度处脉动风速乘积的时间平均。
湍流的总体强度可以用风速标准差或者均方根来衡量，从风速中减去平均分量，然后用偏差来量化剩余部分，对偏差平方后在做平均，最后开方，得出一个具有风速单位的物理量，获得标准差。由相关系数定义式，不同高度处风速的协方差除以标准差得到不同高度两处风速之间的相关性系数，相关性越小越好，阻碍旋涡形成后不同高度处漩涡的频率，打破频率一致性对涡激共振能量的聚集和增长，即：阻止涡激共振的增长，甚至致使涡激共振消失。
塔筒100结构表面上的总脉动风力均方值yi、yj竖直方向的两点，ρ(yi-yj)为每段落脉动风力的相关系数。
需要说明的是，图4示出在塔筒100顶部以下L高度段落设置凸凹外表面，该高度L优选地大于等于叶片300的长度。应知，叶片300在转动过程中，叶片300会周期性地出现在塔筒100顶部以上或者对应于塔筒100外表面。叶片300在顶部以上时叶片300背面(朝向上风向来流的一面为正面)为空气流；而在塔筒100外表面位置时，叶片300背面正对塔筒100外表面，此时，气流在叶片300背面容易产生气流滞止的塔影现象，造成相应的叶片300在塔筒100前方经过时顺着风向的弯矩出现脉动性降低，传递到叶根造成对变桨轴承的脉动性荷载疲劳破坏。
而设置凸凹表面后，环形凹槽101部分的塔筒周长减小，气流可以更快速地通过，减小与顶部叶片300背面空气流状态的差距，减缓滞止现象，减小对变桨轴承的脉动性荷载疲劳破坏。
请参考图6，图6为塔筒100外表面的环形凹槽101呈波浪形设置的结构示意图。
针对上述实施例，环形凹槽101可以沿塔筒100的周向呈波浪状设置。波浪结构的界面结构可以驱使并诱发环形凹槽101内的流体振动，这种基本的振动在环形凹槽101内边界层内诱导出更高层次的谐振动，可以激发流体流动提前转捩，具备更高动量，以抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象发生，继而抑制或阻止边界层分离塔筒100外表面，抑制涡激振动。
请继续参考图7，图7为在塔筒100环形凸台102外表面设置绊流凸起103的结构示意图。
上述各实施例，环形凸台102的外表面可以设有沿塔筒100周向分布的绊流凸起103。当上风向来流绕流环形凸台102时，绊流凸起103可以激发气流沿塔筒100形成径向的表面脉动(与前述的波浪形脉动方向垂直)，并且是周期性激发脉动。该脉动驱动力可以促使边界层提前转捩(层流流态向紊流流态边界层的转变)，形成湍流，具备更高动量抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象发生，进一步抑制或阻止边界层分离塔筒100表面，抑制绕流脱体引起的涡激振动。
进一步地，绊流凸起103的横截面呈半圆形，如图8所示，图8为图6中绊流凸起103的结构示意图。
绊流凸起103的弧形表面朝向外侧，当气流经过时，可以减小对气流的阻力，保证形成的脉动具有一定的动量。而且，还在绊流凸起103的外表面设有若干横向凸棱103a，使得整个绊流凸起103形成凸起绊线结构，类似于公路上的“减速带”，则绊流凸起103外表面摩擦力增加，增加边界层的粘附力，避免边界层被整体上风向来流带动，有利于径向脉动的形成，在风速较大的工况下，作用更为明显。
作为优选方案，在塔筒100的高度方向上，从上至下，绊流凸起103沿塔筒100周向分布的数量逐渐增加，因为塔筒100往往从上至下周长变长，为了保证所需的脉动频率，所以越往下，绊流凸起103分布的数量越多。
还可以参考图9，图9为在塔筒100环形凹槽101底部设置绊流凸起103的结构示意图。
除了在环形凸台102外表面设置绊流凸起103，也可以在环形凹槽101底部设置绊流凸起103，其作用与上述一致，也是可以产生脉动，促使边界层提前转捩，形成湍流。当然，环形凸台102和环形凹槽101均设置绊流凸起也是可以的。
针对上述实施例，形成环形凸台102和环形凹槽101的方式可以有多种。例如，可以将胶带(例如聚氨酯胶带)粘结于所述塔筒100的外表面形成环形凸台102，则胶带之间即可形成所述环形凹槽101，该种方式操作简单，成本较低，而且易于更换。
塔筒100类围护结构一般需要在外表面形成防腐涂层，则还可以通过真空浸渍工艺形成防腐涂层，防腐涂层在真空浸渍时形成所述环形凹槽101和所述引风沟槽102a。该种方式，在工艺上也易于实现，并且形成的结构与防腐涂层一体，更为可靠。
除了上述胶带粘黏、真空浸渍形成环形凹槽101和环形凸台102，也可以直接在塔筒100类围护结构外表面切割形成。当然，为了避免切割可能引起的应力集中，可以在围护结构外表面套设一层塑料层，然后在塑料层上切割形成环形凹槽101，相应地形成环形凸台102。
请参考图10，图10示出塔筒100外表面环形凹槽101的不同结构示意图，为便于理解，将不同横截面形状的环形凹槽101均示于同一附图中，实际加工时，形成同一截面的环形凹槽101即可，当然，同一塔筒100外表面设置不同横截面形状的环形凹槽101也是可以的。如图10所示，环形凹槽101的横截面可以是上部的弧形，也可以是下部示出的U形，或者是曲线、梯形等其他形状，其中设置为弧形时，更有利于气流向后方流动，阻止涡激振动。
另外，请参考图11，图11为塔筒100外表面环形凹槽101宽度与环形凸台102的高度对比示意图。
上述实施例中，环形凸台102与环形凹槽101的高度可以优选地按照如下条件设置：
其中，H1为所述环形凹槽101的宽度，所述H2为所述环形凸台102的宽度。这里宽度定义是按照常规理解，实际上，就是在塔筒100高度方向上，环形凹槽101和环形凸台102的尺寸。环形凹槽101需要一定宽度，过窄时气流绕流可能出现壅塞现象，过宽则会造成通流截面积较大，难以起到加速气流的作用(气流加速，破坏边界层)。这里，环形凹槽101的宽度设为小于环形凸台102的宽度，并最好大于环形凸台102宽度的十分之一。
另外，从下之上，环形凹槽101的深度可以逐渐增加。环形凹槽101深度越深，对边界层的破坏越明显，抑制振动的能力也越强，如前所述，从下至上，塔筒100振动破坏逐渐增强。故环形凹槽101深度从下至上增加可以顺应涡激振动的抑制需求。同理，由下至上，环形凹槽101的宽度也可以逐渐增加。
需要说明的是，上述实施例中，以塔筒100为例对围护结构进行示例性说明，应当理解，本实用新型所述的围护结构并不限于塔筒100，也可以是其他具有类似结构并具有涡激振动抑制需求的结构，例如电视塔。
为了更好地了解围护结构的振动状态，掌握设置如上凸凹外表面以及引风沟槽102a后振动抑制的情况，也可以在如上任一实施例所述的围护结构的内壁设置振动监测装置104。
请参考图12，图12为内壁设有振动监测装置104的塔筒100示意图。
设置振动监测装置104，并可以在地面设置无线接收装置，则操作人员在地面就能掌握塔筒100振动状态。有助于在高海拔、高山顶部或半山腰上装设风电机组时，推动吊装的顺利进行。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (13)

1.具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述围护结构的外表面设有若干环绕所述围护结构的环形凹槽(101)，以使所述围护结构的外表面形成凹凸相间的环形凹槽(101)、环形凸台(102)，所述环形凹槽(101)、所述环形凸台(102)用于打破气流边界层。
2.如权利要求1所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凹槽(101)沿所述围护结构的周向呈波浪状设置。
3.如权利要求1所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凹槽(101)的底部和/或所述环形凸台(102)的外表面设有沿所述围护结构周向分布的绊流凸起(103)。
4.如权利要求3所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述绊流凸起(103)的一侧表面贴附于所述环形凹槽(101)或所述环形凸台(102)，另一侧表面为弧形，以供气流绕过，且所述绊流凸起(103)的外表面设有若干横向凸棱(103a)。
5.如权利要求4所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，从上至下，所述绊流凸起(103)沿所述围护结构周向分布的密度逐渐增加。
6.如权利要求1所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凹槽(101)的横截面呈弧形或U形。
7.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凸台(102)由胶带粘结于所述围护结构的外表面形成，所述胶带之间形成所述环形凹槽(101)。
8.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凹槽(101)的深度均为2-5mm。
9.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凸台(102)的宽度大于所述环形凹槽(101)的宽度，且：
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>10</mn> </mfrac> <msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
其中，H1为所述环形凹槽(101)的宽度，所述H2为所述环形凸台(102)的宽度。
10.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，从下至上，所述环形凹槽(101)的深度逐渐增加，和/或，所述环形凹槽(101)的宽度逐渐增加。
11.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述围护结构为风力发电机组的塔筒(100)。
12.如权利要求11所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述环形凹槽(101)、所述环形凸台(102)均设于所述塔筒(100)的上部，设有所述环形凹槽(101)、所述环形凸台(102)的所述塔筒(100)的段落高度大于叶片(300)的长度。
13.如权利要求1-6任一项所述的具有凸凹外表面以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述围护结构的内壁设有振动监测装置(104)。
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