不同截面形状柱体流致振动特性实验研究

发布时间：2017-08-13 14:35

  本文关键词：不同截面形状柱体流致振动特性实验研究

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【摘要】：流体绕流柱体产生的旋涡脱落是一种普遍的自然现象,蕴涵着十分复杂的物理机理。流体绕流弹性支撑柱体时,交替脱落的旋涡会使柱体承受周期性脉动压力,从而导致柱体产生振动,柱体振动又会影响柱体尾流旋涡形成与脱落模态,这种流体与结构物之间的相互作用称为流致振动(Flow-induced motion,FIM)。在工程领域中,流致振动会使结构持续振动而出现疲劳破坏,严重影响结构物的稳定性与安全性。因此,研究和揭示流致振动复杂的物理机理具有十分重要的学术意义与应用价值。不同截面形状柱体尾流区域旋涡形成与脱落模式有所差异,使柱体所受升阻力发生变化,进而导致柱体流致振动响应及尾涡脱落特性发生变化。为了研究不同截面形状柱体的流致振动特性,本文针对弹性支撑的方柱、梯形柱和三角柱的流致振动特性进行了实验研究,柱体运动方向垂直于来流方向。通过详细分析方柱、梯形柱和三角柱振幅、振动频率、尾涡脱落频率以及相位差等响应,深入研究了柱体振动分支与振幅、频率和相位差的关系,探索了流速、质量比和阻尼比对柱体流致振动特性的影响,揭示了不同截面形状柱体流致振动产生机理。本文主要结论如下:首先针对不同质量比方柱进行流致振动实验,研究了质量比与阻尼比对方柱流致振动特性的影响。实验发现质量比与阻尼比对方柱流致振动响应及其振动分支形式有着重要影响。在阻尼比较低时,低质量比和高质量比方柱在整个流速范围内均可观察到了涡致振动初始分支、上部分支和下部分支三个分支,并且在下部分支还捕捉到了“拍”现象,中等质量比方柱除了观察到了初始分支、上部分支外,还观察到了振幅较大的高振幅分支。随着阻尼比增大,对于低质量比与中等质量比方柱流致振动,只观察到了初始分支与高振幅分支,而高质量比方柱振幅曲线观察到了初始分支与上部分支两个明显的振动分支,没有表现出高振幅分支。其次,本文针对梯形柱和三角柱进行流致振动风洞实验,深入研究了阻尼比与流速对梯形柱和三角柱振幅、振动频率、尾涡脱落频率以及相位差的影响。实验结果显示,梯形柱与三角柱在整个测试风速范围内只观察到涡致振动初始分支与下部分支。梯形柱振动频率与尾涡脱落频率都小于固有频率,而且尾涡脱落频率非常接近振动频率;三角柱振动频率和尾涡脱落频率略小于固有频率,在下部分支后半部分,三角柱尾涡脱落频率大于振动频率与固有频率。对于梯形柱和三角柱,在下部分支并未出现“拍”现象。为了深入研究方柱、梯形柱和三角柱的流致振动特性,本文对不同截面柱体流致振动分支、振幅和相位差之间的关系进行分析,结果表明:当相位差小于90度时,方柱流致振动处于初始分支和上部分支,而梯形柱和三角柱流致振动处于初始分支;当相位差大于90度时,流致振动处于下部分支,此时尾涡脱落削弱柱体流致振动,使柱体振幅降低。风洞实验还表明,与方柱、梯形柱和三角柱相比,相同特征尺寸的圆柱在所测试的风速范围内并没有表现出明显的振动响应,圆柱几乎处于静止状态,这表明相同流速范围内,具有尖锐棱角的柱体容易发生流致振动现象。并且柱体棱角越尖锐,在较低风速下柱体流致振动越容易发生。
【关键词】：流致振动 截面形状 柱体 风洞实验 相位角
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB53
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 主要符号表9-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 流致振动研究现状11-20
• 1.2.1 圆柱绕流及其流致振动11-15
• 1.2.2 方柱流致振动研究现状15-17
• 1.2.3 其他截面形状柱体流致振动17-19
• 1.2.4 流致振动能量收集研究19-20
• 1.3 本文研究内容20-22
• 2 物理模型与实验系统22-34
• 2.1 振动系统物理模型22-24
• 2.2 实验系统24-26
• 2.3 仪器设备校准标定26-31
• 2.3.1 热线风速仪标定26-28
• 2.3.2 激光位移传感器标定28-30
• 2.3.3 毕托管，，微差压传感器标定30-31
• 2.4 自由衰减实验31-34
• 3 方柱流致振动特性实验研究34-54
• 3.1 引言34
• 3.2 振动分支描述34-37
• 3.3 方柱流致振动振幅及频率响应37-50
• 3.3.1 低质量比方柱流致振动特性37-42
• 3.3.2 中等质量比方柱流致振动42-46
• 3.3.3 高质量比方柱流致振动46-50
• 3.4 相位角与流场分析50-51
• 3.5 本章小结51-54
• 4 梯形柱三角柱流致振动实验研究54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 梯形柱流致振动特性54-59
• 4.2.1 振幅响应55-56
• 4.2.2 频率响应56-58
• 4.2.3 相位角与流场分析58-59
• 4.3 三角柱流致振动特性59-64
• 4.3.1 振幅响应60
• 4.3.2 频率响应60-62
• 4.3.3 相位角与流场特性62-64
• 4.4 不同截面形状柱体流致振动对比64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 结论与展望66-70
• 5.1 本文主要结论66-67
• 5.2 本文创新点67
• 5.3 研究展望67-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-80
• 附录80
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录80
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的专利目录80
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：667808