月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究
第41卷 第4期 2011年4月
中国海洋大学学报
PERIODICAL OF OCE AN U NIVERSIT Y OF CH INA
41(4):116~120Apr.,2011
月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振
作用的试验研究
*
刘晓春,郭海燕,张永波,张文冬
(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)
摘 要: 海洋立管的涡激振动会对立管结构的疲劳寿命产生严重的影响。提出1种月牙肋抑振装置,通过在室内水槽中进行物理模型试验,研究该装置在涡激振动情况下对立管的抑振作用。测得该装置在立管表面不同布置方式时顺流向及横流向振动的应变时程曲线,使用DA SP 软件对所测数据进行分析处理,得到立管的振动幅值和功率谱。试验结果表明:这种月牙肋抑振装置可明显降低立管模型的振动幅值,且对振动频率有一定的影响,同时也表明不同的布置方式对立管的抑振效果也不相同。
关键词: 月牙肋;涡激振动;抑振试验
中图法分类号: P751 文献标志码: A 文章编号: 1672 5174(2011)04 116 05
海洋立管是海洋油气资源开发系统中连接海底设施和海面作业平台的关键设备,在海洋环境中主要承受风、浪、流等荷载的作用。当海流以一定的流速经过立管时,会在立管两侧产生交替的涡旋脱落,诱发立管
产生涡激振动(VIV )[1]
。当涡旋脱落频率接近立管的自振频率时会发生频率锁定(lo ck in)现象,此时立管振动加剧,振幅增大。涡激振动是导致海洋立管发生结构失稳和疲劳破坏的主要原因,不仅会带来巨大的经济损失,而且还会使海洋环境遭到严重污染,因此抑制海洋立管涡激振动至关重要。
为了减少或阻止涡激振动造成的破坏,延长海洋
立管的使用寿命,国内外许多学者对海洋管道抑振方
法进行了研究和总结[2 8]
。常用的抑振方法主要有2种:主动控制和被动控制。主动控制是指利用计算机自动控制技术,通过对流场和结构受力的实时监测,将
外部扰动引入流场从而控制漩涡脱落[9]
;被动控制则是通过改变结构表面形状或增加外装置以改变绕流场,从而影响漩涡的形成和发展过程。当前立管的涡激振动控制主要是被动控制,图1是几种常见的被动抑振装置。与主动控制方法相比,被动控制抑振装置具有设计简单、易于制作安装且成本较低等优点,因此
在海洋工程中得到广泛应用。
(a 为螺旋条纹,b 为开孔管套,c 为轴向板条,d 为控制杆,e 为飘带,f 为分隔板,g 为导向翼,h 为整流罩,i 为短扰流板。
a is helicai stripe,
b is opening casing,
c is axial lath,
d is contral rod,
e i s streamer,
f i s demarcation strip,
g is guide w ing,
h is fairing,
i is short spoi ler.)
图1 9种常见的被动抑振装置
Fig.1 N ine types passiv e VIV suppressio n devices
本文依据抑振被动控制物理机制,提出1种新的表面突出类型的抑振装置 月牙形扰流肋。通过无比尺物理模型试验,研究该抑振装置对深海柔性立管涡激振动的抑制效果。
1 实验概况
实验在中国海洋大学物理海洋实验室中的大型
风 浪 流联合水槽内进行。水槽长65m,宽1.2m,高1.75m,最大流速可达1.4m/s 。
实验采用无比尺物理模型实验,用橡胶管模拟深海柔性立管,分别考察月牙肋抑振装置对立管顺流向与横向的抑振效果。橡胶管外径16mm,内径8mm,有效长度1200mm 。水槽内水深700mm,试验时将立管模型两端竖向固定在安置于水槽内的铝合金架
*
基金项目:国家高技术研究发展计划项目(S Q2009AA09Z3487852;2007AA09Z313)资助收稿日期:2010 05 21;修订日期:2010 07 17
作者简介:刘晓春(1970 ),男,博士生。E mail:Lxcxin @https://www.wendangku.net/doc/c2212228.html,
4期刘晓春,等:月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究
上,以使立管模型在顺流向和横向都可以振动。在立管模型水深范围内布置月牙肋抑振装置,在立管模型水面以上位置布置3个测点,见图2。每个测点应变片布置见图3
。
图2 试验模型装置图
F ig.2 Sketch of r iser
model
图3 应变片位置示意图
F ig.3 Sketch of str ain gauges
placement
图4 月牙肋及尺寸详图
Fig.4 Cr escent shaped device and dimension detail
抑振装置整体呈月牙形(简称月牙肋),模型材料
为橡胶,见图4,布置在橡胶管上的月牙肋尺寸为Y Z
H=12m m 3.5m m3m m。将月牙肋按一定排
列方式布置在立管表面。本实验主要采用3种布置方
式,见图5。图5(a)所示月牙肋首尾相连成螺旋线布
置;图5(b)所示月牙肋按某一角度在同一水平面内平
行布置,沿立管轴向同一竖向平面按一定间距平行布
置;图5(c)所示月牙肋在同一水平面内按某一角度反
向布置,呈八字形,沿立管轴向同一竖向平面按一定间
距平行布置。为进行抑振效果对比分析,做一根裸管
涡激振动试验,裸管在水中部分不布置抑振装置,其它
情况同带有抑振装置的试件,试件工况编号见表1
。
(a为月牙肋螺旋线布置,b月牙肋平行布置,c月牙肋八字形布置。
a is helix link,
b is ab uttal parallel,
c is ab uttal converse.)
图5 抑振装置布置图
Fig.5 Sketch ar rang ements of suppressio n device
表1 模型试件工况
T able1 Cases of tests model
试件编号
N umber o f
test mo del
月牙肋布置方式
Ar rangements of
crescent shaped
同一竖向平面月
牙肋间距/mm
Space o f same
vert ical plane
R1裸管Bar e Riser
R8
月牙肋螺旋线布置
H elix link
80
R9
月牙肋平行布置
Abuttal par allel
16
R11
月牙肋八字形布置
A but tal conver se
16
117
中 国 海 洋 大 学 学 报2011年
2 试验结果分析
将裸管模型固定于水槽中的铝合金架上,在静水中对其进行敲击激励,经过傅里叶变换后得到裸管的一阶自振频率为f 1=4H z,见图6
。
图6 裸管自振频谱图
Fig.6 N ature frequency of t he bare r iser mo del
对于涡激振动频率锁定区域的范围,根据Carher ry 和Sheridan
[10]
的研究结果,在水中发生!锁振?的约
化速度区间通常为6 图7~12分别为外流速等于0.35,0.5和0.7m/s 时,裸管模型与安装抑振装置的立管模型在顺流向及横向的振动应变时程曲线。与裸管模型相比,带抑振装置的立管模型的振幅都有所减少,且对顺流向的抑振效果优于对横向的抑振效果。从试验结果还可以看到,月牙肋的布置形式对立管涡激振动的抑振效果有很大影响,月牙肋八字形布置方式R 11的抑振效果明显优于螺旋线布置方式R 8以及平行布置方式R 9的抑振效果,图7,8中R 11布置方式的应变幅值仅为其他2种工况的50%,并且对横向振动也有较明显的抑振作用。而在裸管振动剧烈、流速为0.5m/s 时的工况下(见图9和10),模型R 11完全破坏了!锁振?发生,优于其它2种形式。流速为0.7m/s 相对较高流速工况下R 11优越性再次体现,如图11,12所示。R 8抑振性能表现一般;R 9布置形式抑振性能完全失效;R 11仍能降低60%以上应变幅值。通过上述分析,可以看到月牙形装置R 11的布置形式对柔性立管有较好的抑振作用,并且立管顺流向的抑振效果与横向抑振 效果都很显著。 图7 外流速为0.35m/s 时顺流向应变时程曲线F ig.7 I n L ine time histo ry curv es at velo city o f 0.35m/ s 图8 外流速为0.35m/s 时横向应变时程曲线 Fig.8 Cross flow time histor y curves at v elocit y of 0.35m/ s 图9 外流速为0.5m/s 时顺流向应变时程曲线F ig.9 In L ine time histo ry cur ves at velocity of 0.5m/ s 图10 外流速为0.5m/s 时横向应变时程曲线Fig.10 Cr oss f low time histo ry cur ves at velo city of 0.5m/s 118 4期刘晓春,等: 月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究 图11 外流速为0.7m/s 时顺流向应变时程曲线F ig.11 In Line time histo ry cur ves at velocity of 0.7m/s 图12 外流速为0.7m/s 时横向应变时程曲线 F ig.12 Cro ss flow time histo ry curv es at v elo city o f 0.7m/s 图13为外流速0.35m /s 时各立管模型顺流向振动频谱图。从图13中可以看出,月牙形抑振装置对柔性立管顺流向振动频率有影响,同裸管相比,有抑振装置的立管模型振动频率降低,顺流向裸管涡激振动为二阶单模态振动,而有抑振装置的立管模型R 8,R 9,R 11都使涡激振动模态变为一阶和二阶双模态联合振动。 图14为外流速0.35m/s 时各立管模型横向振动频 谱图。由图14中可看到月牙形抑振装置对柔性立管顺流向振动频率也有影响,同裸管相比,有抑振装置的立管模型振动频率降低,但横向振动模态几乎没发生改变,这是因为涡激振动本身就是一阶单模态振动,安装抑振装置后立管不会再发生振动降阶现象。在工程计算中,高频率的振动是使结构产生疲劳破坏的原因之一,月牙肋降低了振动频率, 可增加立管的疲劳寿命。 图13 外流速为0.35m/s 时各方案顺流向振动频谱图Fig.13 I n line vibrat ion frequencies at velo city of 0.35m/ s 图14 外流速为0.35m/s 时各方案横向振动频谱图F ig.14 Cro ss flow vibr ation fr equencies at velocity of 0.35m/s 3 结论 通过多级外流速作用于立管模型的涡激振动实验,研究了月牙肋抑振装置及其布置形式对柔性立管涡激振动的抑振效果,实验结果表明: (1)月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动的抑振效果较明显,顺流向减幅40%~60%,横向减幅20%~50%,对顺流向的抑振效果优于对横向的抑振效果。 (2)月牙肋抑振装置的布置方式对抑振效果有着显著的影响,八字形布置形式抑振作用优于其它2种,特别是高流速下抑振性能表现良好。 (3)相对裸管而言,月牙肋抑振装置能使立管振动频率有所降低,并且能够改变顺流向的振动模态,但横向振动模态无明显改变。 119 中 国 海 洋 大 学 学 报2011年 参考文献: [1] Williamson C H K,Govardhan R.A brief review of recent resu lts in vortex induced vib rations[J].Journal of Wind Engineerin g and Industrial Aer odynamics,2008,96(6 7):713 735. [2] Peter Bearman,M a Brankovic#.Experimental studies of passive control of vortex indu ced vibration[J].E uropean J ou rnal of M e chanics B/Fluids,2004,23(1):9 15. [3] Gad el H ak m,Bus hnell D M.Separation control:r eview[J]. Journ al of Fluids E ngineering,Transaction of the ASM E,1991, 113:5 30. [4] Ow en J C,Bearman P W.Pass ive con tr ol of VIV with drag redu c tion[J].J ou rnal of Flu ids and Structu res,2001,15:597 605. [5] Lesag e F,Garts hore I S.A method of redu cing drag and fluctua ting side force on bluff bodies[J].J ou rnal of W ind Engin eering and Industrial Aerodynamics,1987,218:71 107. [6] Armstrong S P.Planning procedu res an d results of d eepw ater ver tical SCR VIV supp ress ion[C].OTC183162,H ouston:T exas, 2006. [7] Giffin O M,H all M S.Review vortex s heddin g lock on and flow control in bluff body w akes[J].J ou rnal of Flu ids E ngineering, T ransaction of the ASM E,1991,113:526 537. [8] 吴浩,孙大鹏.深海立管涡激振动被动抑制措施的研究[J].中国 海洋平台,2009,24(4):1 8. [9] 吕林.海洋工程中小尺度物体的相关水动力数值计算[D].大连: 大连理工大学,2006. [10] Carberry J,S heridan J,Rockw ell D.Forces and w ak e modes of an oscillating cylin der[J].Journ al of Fluid s and Structu re, 2001,15(3 4):523 532 Experimental In vestigation of Vortex Indu ced Vibration Su ppression on Flexible Riser U sing Crescent Shaped Device LIU Xiao Chun,GUO H ai Yan,ZH A NG Yong Bo,ZH ANG WEN Dong (Colleg e o f Eng ineering,O cean U niver sity o f China,Q ingdao266100,China) Abstract: Vortex induced vibratio n(VIV)w ould result in serious infection to the r iser fatigue life.T his paper presented a new designed cr escent shaped suppression dev ice,and inv estig ate the dev ice perform ance on r iser o scillation suppressing w hen VIV o ccurr ed,m odel ex periment carried out in the w ind wave curr ent flume。Various tim e histor y str ain response in bo th in line and cross flow direction w ere obtained from the different arrang em ent on the riser surface.Based o n the softw are DASP to process measurements data,strain amplitude and pow er spectrum w er e calculated.It w as found that the crescent shaped sup pression device can evidently reduce o scillation amplitudes of the m odel r iser,also can affect oscillation frequencies,different device arr angements perfo rmance differently o n VIV Suppressio n. Key words: crescent shaped device;VIV(vo rtex induced vibration);VIV suppr ession 责任编辑 陈呈超120 摘要：本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，针对矩形超高层建筑涡激振动的“锁定”状态，提出了两种改进的广义范德波尔振子模型，即igvpo-1和igvpo-2，前者适用于“锁定”风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测，后者适用于“锁定”时最大位移响应幅值的预测。最后，结合气弹模型风洞试验测试数据，实现了对两模型中气动参数的拟合。 关键词：高层建筑；涡激共振；危险性 一、关于涡激共振 当风从非流线型的高层建筑结构构件吹过时，气流就从构件表面剥离，在尾流中产生交替的涡流。当涡流从高层建筑结构构件脱离的频率和建筑结构构件的固有频率一致时，就会发生涡激共振。涡激共振(vortex-excitedoscillation)是一种只在某一风速区域内发生的有限振幅振动，最大振幅对阻尼和断面形状有很大的信赖性，一般发生在比较胖的如圆形断面和宽高比b/d=3以下的矩形断面上，而高层建筑中多采用b/d＞3，因此，涡激共振不是一种危险性的发散振动，能通过增加阻尼或者安装适当的整流装置将振幅限制在可以接受的范围内。 二、高层建筑涡激共振锁定模型建立的基本假定 高层建筑受强风振动的影响，所表现出来的气动力极其复杂，这同时也与建筑几何外形、地理原因、风速和振动幅度等因素息息相关，并随着这些因素的变化自身也呈现出许多非线性特征。考虑到来流会在迎风面角点产生分离，导致高层建筑侧面风压长时间停滞在绕流场的尾流区，这就使得在研究建筑侧面风压合力的形成机理和作用机制时，需要考虑的因素极多。因此，我们在分析此类问题的时候，经常会按照普通情况下，认为高层建筑矩形截面横风向气动力是简单地由下面面部分线性组合而成： 第一部分：受到建筑流场与结构振动两者的相互作用，而形成的气动弹性力(motion induced force)，该作用力是建筑结构是为了改变气流流动，从而在建筑走位产生的附加气动力。 第二部分：高层建筑结构静止时，其受到横向气动力荷载作用，我们可以将之看做是是两个方向的横风向荷载的叠加，即来流中侧向紊流产生的荷载，与静止结构尾流中的旋涡脱落而产生的荷载。如果建筑结构处在涡振“锁定”状态，那么横风向结构振动与涡激力的影响作用将大幅度提升，这时候横风向的振动反应会远远超过顺风向，而相比与前面提到的气动弹性，横风向的气动力比小之又小，几乎可以完全忽略。 三、气弹模型风洞试验对加强高层建筑抗风稳定性的作用 针对高层建筑涡激共振“锁定”的特征，本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，建立了基于超高层建筑气弹模型风洞试验数据的两种改进的广义范德波尔振子模型，简写为igvpo-1和igvpo-2。使用这两种改进的广义范德波尔振子模型能够预测出高层建筑基本振型发生共振锁定时，锁定风速范围内任一风速下的涡振位移响应幅值和最大位移响应幅值，将这两种模型预测值与风洞试验测量值进行比较，结果表明本文提出的这两种理论模型均具有较高的精度。与此同时，笔者还根据高层建筑气弹模型风洞试验所得出的相关数据，对各式各类的斯克拉顿数结构涡激共振提出了预测“锁定风速范围”的计算公式，限于篇幅，此处不表。下图为高层建筑气弹试验模型。 高层建筑结构在风荷载作用下很容易发生静力失稳(扭转发散、横向屈曲)和动力失稳(颤振和驰振)以及风致限幅振动(抖振和涡激共振)。因此设计中除应对高层建筑的静力稳定性、颤振稳定性以及抖振响应作必须的理论分析，还应以模型风洞试验加以佐证。高层建筑的风 科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言 结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡 激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油 从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意 义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还 能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中 的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的 研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流 激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试 验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动 的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情 况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过 基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier- Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用 雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格 子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的 测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字 粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏 涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术 与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟 实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究 从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。 第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动 得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过 直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使 用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡 街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱 落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。 以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性 基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而， 需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困 难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际 问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫 振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实 验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答 上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向： 是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的 转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.Morsea and Williamson,2006;Morsea,et al.,2008）。 流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现 象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率f vs 将与固定圆柱的振动频率f st 相同，即，f st 是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率f ex 。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，f st ≈f ex ）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率f n ，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。 图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征 同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（Krenk and Nielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng ，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St =0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟 在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页） 涡激振动研究方法的探讨 房建党 （上海海事大学物流工程学院，中国上海201306） 【摘要】涡激振动（VIV ）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD ）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。 【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟 【Abstract 】The subject of VIVs is part of a number of disciplines,incorporating fluid mechanics,structural mechanics,vibrations,computational fluid dynamics (CFD),acoustics,wavelet transforms,complex demodulation analysis,statistics,and smart materials.Vortex-induced vibration (VIV)of structures is of practical interest to many fields of engineering.There are three methods on vortex -induced vibration ：Experimental,Numerical simulations,semi-empirical formula,and now we mainly introduce Experimental studies and Numerical simulations on vortex-induced vibration. 【Key words 】Vortex-induced vibration ；Objective ；Experimental ；Numerical simulations 作者简介：房建党（1988，9—），男，汉族，安徽砀山人，上海海事大学在读研究生，机械设计及理论专业，研究方向为港口与海洋装备工程 。 ○高校讲坛○216 FXL M S算法用于压电柔性结构多通道振动控制 朱晓锦, 高志远, 黄全振, 邵 勇 (上海大学机电工程与自动化学院 上海,200072) 摘要 以模拟太空帆板的压电机敏柔性结构为实验模型,针对结构振动响应主动控制技术需求,着重分析了多通道自适应滤波前馈控制方法及其FX LM S算法实现,以及受控通道模型参数辨识策略,并给出了详细的控制器设计结构图。针对实验模型对象设计、结构模态特性分析、压电元件优化配置、实验平台开发构建、相关软硬件测控环境、实验过程描述与结果分析验证,给出了研究思路与方法过程分析;进行了结构振动响应多通道主动控制实验并取得了良好的控制效果。结果表明,该控制器结构设计与自适应算法有效,为航天柔性结构振动响应分布式多通道控制提供了方法探索思路。 关键词 振动主动控制 自适应滤波控制 压电机敏结构 多通道FX LM S算法 实验模型与平台 中图分类号 T B535.1 T P273.2 引 言 伴随航天事业的不断发展,大型柔性结构在航天器上构成越来越多,由此带来的结构振动问题也愈加严重,如航天器太阳能帆板结构,在轨运行期间必须保证很高的运行精度。由于这类结构具有低刚度小阻尼、固有频率较低和低频模态密集的特点,同时太空环境又无外阻,因此极易受到扰动影响而发生振动。常规技术方法难以达到控制要求,由此机敏结构的研究成为解决上述问题的重要方向[1-2]。 C ra w ley[3]最早分析了梁与压电片之间的作用情况,开辟了以分布式压电陶瓷作为驱动器的结构振动主动控制研究方向,此后新的研究成果不断出现[4-7]。就控制方法与控制律设计而言,几乎涉及到现代控制理论的所有分支,诸如极点配置、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、学习控制与智能控制等[8],由于自适应控制对系统参数变化具有较好的适应性,从而在研究进程中得到广泛采用[9]。 当前,自适应滤波前馈控制方法在机敏结构振动主动控制研究中获得积极关注[10],尤其用滤波-X 最小均方(filtered-X least m ean square,简称FXLM S)算法进行控制器设计,具有控制修正速率高、对非平稳响应适应能力强,并能够较快跟踪结构参数及外扰响应变化的特性,不足之处在于需要预知与外激扰信号相关的参考信号,同时多通道控制器结构设计也相对复杂。本文在简要描述压电元件工作机理的基础上,基于FXLM S算法过程,着重分析了多通道自适应滤波前馈控制方法,以及受控通道模型参数辨识策略,并给出详细的控制器设计结构图。在此基础上进行实验模型对象设计和实验环境开发,采用在线辨识方法获得实验结构受控通道模型参数,进而实现压电柔性结构振动响应的多通道自适应控制。实验结果表明了控制器结构与自适应算法的有效性和可行性,且具有快速收敛以及较低阶模型就能满足控制性能要求的优势。 1 压电元件本构方程 压电材料力学和电学行为关系,可以采用压电方程进行描述,取应力e和电场强度E为自变量,则压电方程可以表示为 Xλ=c Eλu e u+d jλE j λ,u=1,2,…,6 D i=d iu e u+_e ij E j i,j=1,2,3(1)其中:c Eλu为电场恒定时的弹性柔顺系数;d jλ为压电应变常数;_e ij为应力恒定时的介电常数。 一般在压电机敏结构振动控制中,使用的压电应变常数为d31,即沿压电驱动器极化轴3方向施加电场,通过d31的耦合在垂直于极化方向1轴,即元件长度l的方向上激发横向振动;具体驱动信号来自 第31卷第2期2011年4月 振动、测试与诊断 Jou rna l o f V ib ra tion,M easu re m en t&D iagno sis V o.l31N o.2 A pr.2011 国家自然科学基金重大研究计划资助项目(编号:90405013,90716027);上海人才发展基金资助项目(编号:2009020);上海大学“十一五”“211”建设资助项目;上海市电站自动化技术重点实验室资助项目;上海市教委“机械电子工程”创新团队资助项目 收稿日期:2009-08-22;修改稿收到日期:2009-11-13 第27卷 第4期2009年12月 海 洋 学 研 究 JOURNAL OF MARINE SCIENCES Vol.27 No.4 Dec .,2009 文章编号:10012909X (2009)0420095207 收稿日期:2008210218 作者简介:黄旭东(1969-),男,天津市人,副教授,主要从事工程测量及海岸结构物设计理论研究。 海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望 黄旭东1,张 海1,2,王雪松1 (1.天津城市建设学院土木工程系,天津 300384;2.天津大学建筑工程学院,天津 300072) 摘 要:随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题。在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因。当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力。这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因。海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等。此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度。尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到。即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就。首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论。随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果。接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的。最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅。最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系。随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大。当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著。最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议。 关键词:涡激振动;海洋立管;综述 中图分类号:TE53 文献标识码:A 0 引言 在陆地石油资源开采日渐萎缩的今天,加速开发海洋石油资源已经成为世界各国的共识。据不完全统计,世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%,全球海洋石油蕴藏量约为1000多亿t ,其中已 探明的储量约为380亿t 。在我国300多万km 2的蓝色国土中,约有360亿t 石油资源量。其中,我国南海是世界4大海洋油气资源带之一,其石油储量约为230～300亿t ,号称全球“第二个波斯湾”。 海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分, 它是联系水面平台装置和海底设备的重要通道。因此,准确计算出海洋立管在实际海洋环境中受到的载荷,及其在荷载作用下的动力响应,具有重要的经济价值和社会效益。在海洋环境中,激发立管振动响应的主要因素是海流引起的涡激振动(Vortex 2induced Vibration ,V IV )。当海流流经立管时,会在立管两侧的尾流区发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同 桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究 摘要：针对设计中不被重视的涡激共振问题，讨论了桥梁结构涡激振动及其响应分析的复杂性，介绍了几座国外大跨度桥梁结构的涡激振动问题，并比较分析了这些桥梁结构所采用的不同减振措施方案，推荐设计阶段首先选择气动控制措施来抑制桥梁涡激振动，而已建成的桥梁发生涡振病害则更适宜选用机械减振措施。abstract： in view of the ignored problem of vortex-induced resonance in design， this article analyzes vortex-induced vibration of bridge structure and the complexity of response analysis. the vortex-induced vibration problem of some foreign large span bridge structures is introduced and different vibration reducing measures of these bridges are analyzed and compared. it is recommended that pneumatic control measures be firstly used to control the vortex-induced vibration of bridges in design phase， while for vortex-induced vibration of built-up bridges， mechanical vibration reduction measures are more appropriate. 关键词：桥梁；涡激振动；振动控制；气动措施 key words： bridge；vortex-induced vibration；vibration control；pneumatic measures 中图分类号：u441 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）24-0100-03 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910344900.0 (22)申请日 2019.04.26 (66)本国优先权数据 201910082062.4 2019.01.28 CN (71)申请人 钱日隆 地址 361000 福建省厦门市思明区体育路 115号306室 (72)发明人 钱日隆 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限 公司 44202 代理人 郭锦辉 陈艺琴 (51)Int.Cl. F16F 15/02(2006.01) (54)发明名称 一种抑制涡激振动的方法 (57)摘要 本发明公开了一种抑制涡激振动的方法，该 方法具体为对受强流体影响而产生涡激物体的 轮廓进行重新设置。这种根据物体结构形状对其 所受的气动力的影响，提供了一种抑制涡激振动 的方法。一般来说在楼房上，灯柱，风力发电支撑 柱，桥梁等生成涡流会严重影响结构的安全，而 只需要对其外形结构进行改造即可抑制其产生 的涡激振动，从而减少由涡激振动易造成物体结 构疲劳破坏以及安装在所述上的附属设施损坏 失效从而造成经济损失。权利要求书1页 说明书4页 附图7页CN 110273970 A 2019.09.24 C N 110273970 A 权 利 要 求 书1/1页CN 110273970 A 1.一种抑制涡激振动的方法，其特征在于，对受强流体影响而产生涡激物体的轮廓进行重新设置。 2.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角设置倒角。 3.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为方形。 4.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为弧形。 5.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为棱柱时，对其棱角进行钝化处理。 6.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角进行钝化处理。 7.根据权利要求3所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述方形倒角的大小占所述物体整体大小的比例越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 8.根据权利要求5所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述棱角设置为与两边相切的圆弧形。 9.根据权利要求6所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述直角设置为与两边相切的圆弧形。 10.根据权利要求8或9所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述圆弧形所对应的半径越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 2 耗能方案 性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构 半主动控制和混合控制。 是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。 主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和 京的清水公司技术研究所。 ，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几 和耗能减震技术。 置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。目前研究开发的基础和混合隔震等。近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。最近有 使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。其中，应用最多两个重300吨的TMD，质量块在9米长的钢板上滑动，它很好地减小了大楼的风振反应，防止了玻璃幕nade桥的桥塔均安装了TMD，其减震效果均令人十分满意。日本的Yokohama海岸塔是一个高101米析表明，安装了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在强风作用下塔的加速度减小到原来的1/3 TLD以控制其风振反应。 万方数据 万方数据 第３期方平治，等：圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究 图１计算所用网格和坐标 ｔａｇ．１Ｍｅｓｈａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ２．２二维圆柱两自由度涡激振动绕流结果 涡激振动系统的阻尼比ｅ＝０．００２，折减阻尼比Ｍ。｝＝０．０２０８．Ｍ。为结构和流体介质的密度比，流向和横向的动力参数一致．计算中，保持雷诺数和结构的质量不变，调整结构的刚度来改变结构的自然振动频率．厂ｎ，从而改变折减风速Ｕ。＝Ｕ／厂ｎＤ，由此得到的折减风速为：１．０，２．０，２．５，２．８，３．０，４．０，５．０，５．６，６．０，６．４，７．０，８．０．采用连续计算的方法，例如，当Ｕ’＝１．０计算完毕后，以此为初始条件计算Ｕ’＝２．０，直至计算到Ｕ’＝８．０．这是因为涡激振动系统是强非线性系统，必须考虑系统的“记忆效应”；还必须考虑【，。变化的步长，步长太大，可能捕捉不到涡激振动的最大振幅．为了尽可能得到最大振幅，在预估出现最大振幅时，在对应的Ｕ。＝２．８和Ｕ。＝６．ＯＮ侧取较小的计算步长．在气动弹性计算阶段，计算残差控制在２×１０一，网格、湍流模型以及边界条件的设置等同前所述，时间步长可参考文献［６］．图２给出了Ｕ’＝２．５～６．０时主要折减风速范围内圆柱涡激振的时程曲线及其对应的功率谱（ＰＳＤ）图．图中，厂。＝ｉｖ饥，＾为圆柱的涡激振动频率．由各位移时程图可见，流向自由度的振动，在Ｕ’＝３．０之前振动逐渐增强，在Ｕ’＝３．０达到稳定并具有最大振幅（流向锁定）后，随折减风速的增加开始减小；在Ｕ。＝５．６达到另一个相对稳定的振动（为显示流向自由度的振动，图中将流向自由度的脉动增加１００倍，但平衡位置不变）后，又继续减小．横向自由度的振动，随折减风速的增加而增加。在Ｕ’＝３．０时，达到一个相对稳定的振动；在Ｕ。＝５．６时，达到稳定并具有最大振幅（横向锁定），然后振幅开始减小．参考各相应的功率谱图可见：①随着Ｕ’的增加，圆柱的涡激振动经历两个锁定区域，第一个在Ｕ。＝３．０附近，流向自由度的涡激振动占据主导地位；第二个在Ｕ‘＝５．６附近，横向自由度的涡激振动占据主导地位．②第二个锁定区域对结构产生的影响远大于第一个，这也是人们对结构的横向涡激振动感兴趣的原因之一．由于在高Ｕ’时涡激振动系统的能量主要集中在横向自由度，在Ｕ’＝５．０时，流向自由度所占有的能量已可忽略不计（参考图２ａ，ｂ，ｃ，ｄ），所以，图２ｅ，ｆ仅给出了横向自由度圆柱涡激振动的功率谱图． 套 萋 斑 静 镯 ６∞Ｏ．５１．０１．５ ｔ“ 一 ｂ１．０一 氲０．８－ 啪ＷＩｉ桃ｊＩ般０．６一罄ｏ．?一 ｆ．霄０．２一 Ｑ ； 百 、 《 ｆ“ 功率谱图 ｆ￡广：击．Ｏ时 ……‘ｘｌＤ——ＹＩＤ一－－?湖￡ｌ方向——横向方向图２圆柱振动的位移时程图和功率谱图 Ｆｉｇ．２ＴｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄＰＳＩ） ｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｃｉｒｃｌｌ［ａｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ 万方数据 武汉理工大学 结构振动控制 Vibration Control of Structure 课程：工程结构振动控制理论 授课老师：周强 学生姓名：吴平 学号：104972081971 班级：土木研0803 结构振动控制 吴平 （土木研0803班） 摘要：本文主要介绍了结构振动控制的概念、基本原理以及分类。重点阐述了 被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制的不同特点。 关键字：被动控制，主动控制，半主动控制，混合控制 Vibration Control of Structure Wuping (Department of Civil Engineering，Wuhan University of Technology) Abstract：This paper introduces the conceptand basic principles and classification of structural vibration control. Highlighted the differences among passive control， active control， semi-active control and hybrid control. Key words ：passive control， active control， semi-active control，hybrid control. 引言 随着社会的发展，工程结构形式日益多样化以及轻质高强材料的应用，结构 的刚度和阻尼比变小。在强风或强烈地震荷载作用下，结构物的动力反应强烈，很难满足结构舒适性和安全性的要求。按照传统的抗风抗震设计方法，即通过提 高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用，是一种“硬碰硬”式的抗震 方法，它很不经济，也不一定安全。而且失去了轻质高强材料自身的优势，还不 能满足口益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。 传统的抗震设计方法已不能满足需要，从而使结构振动控制理论在工程结构中开 始得到应用。结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应 和损伤，提高结构的抗震能力和抗灾性能。结构控制通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载，使结构的动力反应减小。结 构控制是人的主观能动性与自然的高度结合，是结构对策新的里程碑。 International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2014, 2, 35-45 Published Online September 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/c2212228.html,/journal/ijfd https://www.wendangku.net/doc/c2212228.html,/10.12677/ijfd.2014.23004 Study on the Similarity Relation of Model Test of Vortex-Induced Vibration on Circular Cylinders Yang Zhou*, Weiping Huang Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao Email: *edit502@https://www.wendangku.net/doc/c2212228.html, Received: Aug. 10th, 2014; revised: Sep. 1st, 2014; accepted: Sep. 8th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/c2212228.html,/licenses/by/4.0/ Abstract An experimental method, based on Reynolds number similarity, of the vortex-induced vibration (VIV) of circle cylinders is proposed to achieve VIV similarity between prototype and tested model. The VIV response of a circle cylinder is closely related to Reynolds number because the mode of vortex shedding highly depends on Re. However, the scaled model test of circle cylinder’s VIV is designed based on Froude number similarity but Reynolds number is not similar under the same fluid for both model and prototype. Therefore, the VIV response of tested model is not similar to that of the prototype because they have different vortex shedding modes. It means that the test results can not be used to predict the VIV response of the prototype according to the scaling law based on Froude number similarity. The prototype and three scaled models with different simi-larity schemes have been simulated using CFD to validate the method and at the same time, expe-riments are compared. The numerical results show that the similarity between prototype and model is satisfying by Reynolds number similarity, and it is in accordance with both Froude num-ber and Reynolds number similarity. But the similarity between prototype and model is not satis-fying by Froude number similarity. The experimental results show that the similarity of period of the vortex shedding is satisfying by Reynolds number similarity but not satisfying by Froude number similarity. As a result, Reynolds number similarity should be used in the scale model test instead of Froude number similarity when studying the characteristics of VIV. Keywords Vortex-Induced Vibration (Viv), Cylinder, Cfd, Reynolds Number Similarity, Froude Number Similarity *通讯作者。 结构振动控制的概念及分类-----------------------作者： -----------------------日期： 耗能方案 耗能减震技术的研究、应用与发展 一、结构振动控制的概念及分类 传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，中震可修，大震不倒。而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资。近年来，在土木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。 结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。 被动控制——无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术。 主动控制——有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质量阻尼系统（AMD）等。主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国，我国自80年代末期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验大楼和Kankyu Chayamechi大楼。 半主动控制——有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、半主动T MD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。 混合控制——在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处，克服它们的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有：同时采用AMD 和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和耗能减震相结合的混合控制系统。世界上第一个安装混合控制系统的建筑是位 第１０卷第３期２０１２年９月 中国工程机械学报 ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 、ｋｌ－１０Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１２涡流发生器涡激振动抑制研究 郝志永，余恒旭，宓为建，卢凯良 （上海海事大学物流工程学院，上海２０１３０６） 摘要：通过风洞实验对涡流发生器的涡激振动抑制效果进行了分析研究，确定了涡流发生器的最佳几何参数， 并探讨了涡流发生器涡激振动抑制机理．结果表明：从阻力系数的角度，涡流发生器比螺旋条纹圆管有更大的涡 激振动抑制优势．热线风速仪的测量结果表明：光滑圆管及涡流发生器圆管尾流展向尾流速度相关系数不受雷 诺数及涡流发生器的影响．涡流发生器主要是通过影响边界层的分离进而影响涡街脱落点来抑制涡激振动，对 涡街脱落的沿展向三维扩展没有影响． 关键词：涡流发生器；涡激振动；涡街脱落 中图分类号；０３５３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—５５８１（２０１２）０３—０２５３—０７ …■１１●＇Ｊ■●一 Ｖ０ｒｔｅｘ－ｉｎｄＵｃｅｄＶＩｂｒａｔｌｏｎｓｕＤｐｒｅｓｓｌｏｎｆｏｒｖｏｒｔｅｘｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ＨＡＯＺｈｉ－驷御，彤Ｈｅｎｇ－ｚｕ，ＭＩＷｅｉ—ｊｉａｎ，ＬＵＫａｉ—ｌｉａｎｇ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＬｏｇｉｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｖｏｒｔｅｘ—ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ（ＶＩＶ）ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎＶｏｒｔｅｘＧｅｎｅｒａｔｏｒｓ（ＶＧｓ），ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＶＧｓａｒｅｆｉｒｓｔｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅＶＩＶｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＶＧｓ，ｒａｔｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｈｅｌｉｃａｌｓｔｒａｋｅｓ，ｐｏｓｓｅｓｓｓｔｒｏｎｇｅｒＶＩＶｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｔｅｒｍｓｏｆｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｅｌａｂｏｒａｔｅｄｆｒｏｍｈｏｔｗｉｒｅａｎｅｍｏｍｅｔｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｗａｋｅｆｌｏｗｓｐａｎｗｉｓｃａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｎｏｔａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒａｎｄＶＧｓ．Ｔｏｔｈｉｓｅｎｄ，ｔｈｅＶＩＶｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓｍａｉｎｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｖｏｒｔｅｘｓｈｅｄｄｉｎｇｐｏｉｎｔａｌｔｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｅｒｅａｓｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｎｎｉｎｇｏｆｖｏｒｔｅｘｓｈｅｄｄｉｎｇｉｓｎｏｔｉｍｐａｃｔｅｄｂｙＶＧｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｏｒｔｅｘｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｖｏｒｔｅｘ—ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｖｏｒｔｅｘｓｈｅｄｄｉｎｇ 近年来，海上油气开采由浅海转向深海，如何防止由涡激振动（ＶＩＶ）所带来的结构疲劳及破坏成为深水作业重要课题之一．目前，被动抑制方法是工业界应用最普遍的涡激振动抑制办法之一．涡流发生器（ＶＧ）是被动控制方法的一种，得到越来越多的重视和应用．其工作原理是通过来流与涡流发生器边界层动量交换实现对圆柱尾流涡街脱落的破坏，达到涡激振动抑制目的［１］．ＨＯＦＦＭＡＮＮ等人［２］实验研究了高雷诺数下涡流发生器对圆柱体拖拽力的影响，分析了攻角口＝５０。时（图１），不同设计规格的涡流发生器及其尾迹涡结构，研究发现在雷诺数达到１７００００的时候，最大阻力可减少到７１％，但当雷诺数超过３０００００的时（阻力危机范围内），涡流发生器将失去有效性．同时，当雷诺数大于３０００００时，边界层湍流模式发生转变，“单泡”现象发生Ｌ３ｊ．ＪＯＨＮＳｏＮ等Ｈ］也对阻力危机做出过观察，他们发现在雷诺数达到３０００００时拖拽力有明显下降．通过实验分析，ＪＯＨＮＳＯＮ等［４］和ＧＡＤＥＬＨＡＫ等口１发现高雷诺数时，当间隔￡与高度ｈ比为４时涡激发生器表现出最佳效果．ＲＡＯ等［６Ｊ发现完全浸入水中的ＶＧ因为比较低的拖拽力表现出更 基金项目：上海市科学技术委员会浦江计划资助项目（１０ＰＪｌ４０４７００）；上海市教委重点创新资助项目（１２ＺＺｌ４９）；上海市教育委员会重点学科建设资助项目（Ｊ５０６０４）；上海海事大学校基金资助项目（２０１０００８９，２０１１００４１，２０１１００３７） 作者简介：郝志永（１９７４一），男，博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｏｚｈｉｙｏｎｇ＠ｓｈｍｔｕ．ｅｄｕ．ＣＤ＿ 万方数据高层建筑涡激共振的危险性
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