一種串列雙圓柱體渦激振動的消減方法與流程
2023-05-26 19:59:36 1
本發明屬於軍事、海洋、土木及橋梁工程領域，涉及一種串列雙圓柱體渦激振動的消減方法。
背景技術：
圓柱體繞流及其渦激振動問題(vortex-inducedvibration，簡稱viv)是一種涉及流固耦合在多種場合都可能發生的物理現象。渦激振動發生在許多工程領域，如橋梁、煙囪、電力傳輸線、飛行器表面控制、海洋結構物、熱電偶套管、發動機、熱交換器、海洋電纜、拖曳纜繩、鑽井與生產隔水管、錨泊纜繩、錨泊結構、束縛結構、浮船及立柱船體、管線、電纜鋪設、導管架結構杆件以及其他水力學、水聲學中的應用。
在深海工程、土木橋梁工程領域，圓柱體結構是工程上應用最多、最廣泛的一種結構物，這些領域裡有很對結構物都可以看成是雙圓柱體或多圓柱體結構。當水流繞過圓柱體時，在一定流動工況下會發生結構物後旋渦脫落的現象，交替產生的周期性的旋渦會誘髮結構物與來流垂直方向上產生周期性變化的流體作用力，即所謂的橫向力或升力，致使結構物產生振動，特別當流體作用力的周期與圓柱體固有頻率接近時會使結構物損壞，即圓柱體的渦激振動現象。對於串列排列的雙圓柱體來說，由於一個圓柱體位於另一個圓柱體的尾流內，這時作用在下遊圓柱體的流體的流速降低，其振動特性會顯現出極大的不同，這種現象被稱為「掩蔽效應」；上遊圓柱體由於下遊圓柱體的存在，受到較低流速的來流的作用，這種現象被稱為「堵塞效應」，從而使得兩個圓柱體相對於單個圓柱體繞流，表現出了極大不同的振動特性。
串列雙圓柱繞流的流型、流場特性等與單圓柱繞流相比更加複雜，它除了受re數的影響外，還受制於兩圓柱的中心距比p/d，如圖1所示，其中p是兩圓柱中心的間距，d是圓柱的直徑。隨p/d的不同，圖2給出了串列雙圓柱尾流有三類基本流型：1.單鈍體流型，亦稱延伸體流型(1<p/d<2)；2.再附流型，亦稱雙穩態流型(2<p/d<5)；3.共脫落流型(5<p/d)。其中，再附流型根據上遊圓柱剪切層在下遊圓柱再附的位置不同(下遊圓柱迎流面或背流面)又分為前緣再附(2<p/d<3)與後緣再附(3<p/d<5)兩種流型。
串列雙圓柱體尾流控制不但能消除其渦激振動，提升結構的使用性能與壽命，而且也能抑制鈍體的流向阻力與流動噪聲等不利影響。對於我們國家而言，在未來很長的一段時間的經濟建設和社會發展中將不可避免地面臨串列雙圓柱的渦激振動及其控制問題。
目前雖然已有並列排列雙圓柱體渦激振動的消減方法，但是並列排列雙圓柱體渦激振動的消減方法並不適用在串列排列雙圓柱體渦激振動消減上並且在並列雙圓柱體渦激振動的消減方法不好的情況下串列雙圓柱渦激振動的消減方法會更好。首先，將並列雙圓柱體套層上的噴射角應用在串列雙圓柱體的套層噴射角上並不能有效的消減串列排列雙圓柱體的渦激振動，串列排列雙圓柱體中的下遊圓柱體始終受到上遊圓柱體尾流的幹擾，因此下遊圓柱體套層噴射角要更大即附加一定的角度。其次，由於尾流控制的引入會使雙圓柱體並列排列的情況下原本相互獨立的尾流發生耦合，特別是單鈍體流型(1<p/d<1.1～1.2)的實際re數相比單圓柱要高出近一倍，這種情況在雙圓柱體串列排列的情況下並不會發生。
技術實現要素：
本發明的目的是針對目前串列雙圓柱體渦激振動主動控制技術的不足，提供了一種串列雙圓柱體渦激振動的消減方法。
本發明通過沿上遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的一側壁面指向下遊的切線方向、下遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的另一側壁面指向下遊的切線方向穩定地向振動圓柱的尾流噴射流體，對串列雙圓柱體橫截面兩側的邊界層、回流區進行調整，利用噴射流體的流動調製將邊界層的分離及發展控制在近尾流一個很小的範圍內，以減小串列雙圓柱在繞流中產生的逆壓梯度，避免或限制邊界層的分離，進而使原本周期性脫落的旋渦及其增強、演化構成的尾流大渦結構在噴射流體的作用下消減或消失、失去周期性，達到消減或抑制串列雙圓柱渦激振動的目的。
為實現上述發明目的，本發明方法是在串列雙圓柱體渦激振動的待消減段上分別設置一圓筒形套層，在套層上開多個噴氣孔，噴氣孔方向沿上遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的一側壁面指向下遊的切線方向、下遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的另一側壁面指向下遊的切線方向。上遊圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為α，下遊圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)；其中α為上遊圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向間的夾角，α為10°～60°，β為5°～30°。套層的兩端與圓柱體表面密封連接，然後向套層與圓柱之間所形成的空間內不間斷地充入壓強為p的流體，該流體通過噴氣孔向外切向噴射後即可同時消減串列雙圓柱的渦激振動；其中p＝p0+p1，p0為噴氣孔所受的最大環境壓力，p1為0.4～4個標準大氣壓。
所述的流體為空氣、水或空氣與水的混合物。
所述的串列雙圓柱的中心距p為0.01d～5d。
所述的套層與圓柱為同軸設置，且套層與圓柱之間所形成的空間為圓環柱。
所述的套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個噴氣孔。
所述的套層壁厚為0.02d～0.12d。
所述的噴氣孔直徑為0.01d～0.1d，兩個相鄰噴氣孔的中心距為0.01d～0.5d，噴氣孔分布在串列雙圓柱體相異兩側，上遊圓柱噴氣孔開孔方向與來流方向夾角為α，下遊圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)；其中，α為10°～60°，β為5°～30°，β角的大小由α角的選取來決定，即β＝k·α，k為0.3～0.5是串列雙圓柱體渦激振動消減方法所特有的經驗係數，k的取值直接影響到串列雙圓柱體渦激振動消減的效率。
所述的套層與圓柱之間的間隙距離為0.02d～0.2d，其中d表示圓柱的截面直徑。
本發明與現有技術相比，具有的有益效果是：
1、針對串列雙圓柱體受水流或氣流作用而發生的渦激振動，流體源同時向兩圓柱體的套層內提供一個均勻的正壓，由噴氣孔沿上遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的一側壁面指向下遊的切線方向，下遊圓柱體噴氣孔沿遠離兩圓柱體流向對稱中心面的另一側壁面指向下遊的切線方向，以一定的角度向圓柱體尾流噴射流體。利用兩股噴射的流體對串列雙圓柱的兩外側邊界層進行調製，將邊界層的分離與發展限制在一個很小的近尾流區域，最大限度地減小串列雙圓柱在繞流中產生的逆壓梯度，避免或減緩剪切邊界層的分離，從而有效抑制尾流中旋渦脫落的發生，達到消除或消減串列雙圓柱體周期性流體振蕩力的目的。
2、本發明適用性較強，可以控制不同中心距、不同基本流型的串列雙圓柱體的尾流，針對不同的流體、來流速度及圓柱體直徑(即不同的雷諾數)，只需對流體源的壓力或噴氣孔角度進行調節，噴氣孔的角度只需旋轉套層即可，方便快捷；來流方向發生改變時，只需同步同向旋轉兩圓柱體套層，從而避免調整圓柱體結構本身，具有更強的可行性，省時省力。
3、本發明相比於已有的並列排列雙圓柱體渦激振動的消減方法不會因尾流控制的引入而致使原本相互獨立的尾流發生耦合。另外，本發明的優點在於並不是簡單的將並列排列雙圓柱體經過旋轉變成串列排列雙圓柱體，而是根據串列雙圓柱體實際應用中所面臨下遊圓柱體除了來流的渦激振動外還會受上遊圓柱體尾流的影響，所以下遊圓柱體套層的噴射角需要在上遊圓柱體套層噴射角的基礎上附加一個β角。
附圖說明
圖1是串列雙圓柱繞流的示意圖；
圖2是串列雙圓柱體尾流基本流型的示意圖；
圖3是本發明控制雙圓柱體尾流控制方案的整體示意圖；
圖4是圓柱體1縱向剖面圖5的b－b剖面的剖示圖；
圖5是圓柱體1橫向剖面圖4的a－a剖面的剖示圖；
圖6是p＝2d應用本方法控制前串列雙圓柱體尾流的跡線分布圖；
圖7是p＝2d應用本方法控制後串列雙圓柱體尾流的跡線分布圖。
具體實施方式
如圖3-圖5所示，本發明方法是在串列雙圓柱體1、2周期性振蕩力的待消減段上分別設置一圓筒形套層3、4，在套層上各開多個噴氣孔5、6，套層的兩端分別與對應的圓柱體表面密封連接，外接的流體源7通過精密減壓閥8及連接管9向套層與圓柱之間所形成的空間內連續地充入壓強為p的流體，使得噴出的流體速度大小為定常來流速度的3～20倍。其中p＝p0+p1，p0為噴氣孔所受的最大環境壓力，p1為0.4～4個標準大氣壓。u∞為來流速度，ue為噴射孔的出口速度。
套層與圓柱為同軸設置，使得套層與圓柱之間所形成的空間為圓環柱，套層外圓表面上沿套層的母線方向等間距開有多個切向噴氣孔。
充入的流體可選空氣、水或空氣與水的混合物。
套層壁厚d為0.02d～0.12d。
噴氣孔直徑為0.01d～0.1d，兩個相鄰噴氣孔的中心距l為0.05d～0.5d，噴氣孔分布在串列雙圓柱體相異兩側。
套層與圓柱之間的間隙距離為0.02d～0.2d，其中d表示圓柱體的截面直徑。
本發明尾流控制方案的主幹管路由流體源提供一個穩定正壓，再經兩個支路的精密減壓閥精確控制套層與圓柱體之間的密閉空間的壓力，使得向尾流噴射的流體的出口速度大小為來流速度的3～20倍。由此調整串列雙圓柱橫向兩側的邊界層、串列雙圓柱之間的回流區、下遊圓柱的回流區，增強其抵抗逆壓梯度的能力及破壞卡門渦街的二維展向相關性，從而抑制漩渦的產生，消減圓柱的周期性交變荷載。若來流的方向發生變化，如風向或洋流方向改變時，只需將兩套層同向旋轉相同的角度，上遊圓柱噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為α，保持噴氣孔的方位角α為10°～60°，下遊圓柱體噴氣孔軸線方向與來流方向夾角為(α+β)，α為10°～60°，β為5°～30°，便有效地消減兩圓柱的周期性交變荷載。
以下結合實驗給出應用本發明控制串列雙圓柱振蕩力的實例。對處於均勻流中單鈍體基本流型下的串列雙圓柱模型進行實驗。單鈍體基本流型對應的中心距取2d，串列雙圓柱與來流方向垂直。圓柱體的長度為600mm，直徑d為20mm。套層兩端都有蓋板密封，兩端固定。套層的外直徑30mm，內直徑為25mm，長度為600mm；沿上遊圓柱套層橫截面遠離兩圓柱體流向對稱中心面的一側壁面指向下遊的切線方向，下遊圓柱體噴氣孔沿遠離兩圓柱體流向對稱中心面的另一側壁面指向下遊的切線方向各開有一列等間距的噴氣孔，其直徑為1mm，相鄰噴氣孔間距為5mm，上遊圓柱套層的噴氣孔方向與來流方向的夾角為20°，下遊圓柱套層的噴氣孔方向與來流的夾角為30°；定常來流速度為4m/s。
圖6給出了應用本發明前，小間距(re＝4000，p/d＝2)串列雙圓柱的單鈍體尾流流型的準瞬態跡線分布圖。此時尾流中存在清晰可見的大尺度漩渦結構，這表明兩圓柱受到較大的振蕩力的作用且受力不一。應用本發明後，由上述兩圓柱體的噴氣孔陣列向其尾流噴射流體。套層內的壓力為高出環境壓力0.5個標準大氣壓，噴射流體的出口速度約為25m/s，相對噴射流量為0.06。這裡引入用於直觀表徵尾流控制效率的相對噴射流量q＝qe/u∞·d1·b，qe為套層噴射出口總流量，d1為套層直徑，b為噴射孔的展向分布跨度，相對噴射流量越小說明控制效率越高。依圖7可知，應用本發明方法後(α＝50°，β＝10°，p1＝12.5psi，q＝0.06)，串列雙圓柱體尾流的大尺度漩渦結構在噴射流體的剪切下已基本消失，兩圓柱所受周期性交變荷載得到有效消減，結構的安全性和使用性能因此提高。
本發明方法可以有效控制中等雷諾數到高雷諾數、不同間距及基本流型的串列雙圓柱體的尾流，消減其流體振蕩力與渦激振動。