两个串列圆柱的横向流致振动实验研究

发布时间：2020-08-31 09:51

　　圆柱结构的流致振动在基础和应用研究中均有着重要的意义。工业和工程建筑物通常是柱群结构的组合,如斜拉桥拉锁、烟囱群、热交换器管、输电线、桅杆、化工反应塔、海洋平台、立管、海底管道、相邻摩天大楼等。自然,理解临近柱群结构对流致振动的影响有重要的工程实际意义。两个串列圆柱的相互作用非常强烈,包括剪切层再附着、剪切层干扰、准周期性涡、涡冲击、回流等。因此,两个串列圆柱是研究柱群结构流固耦合的优秀模型。针对两个固定刚性圆柱已经展开了诸多研究。然而,工程结构严格意义上并不是固定的。实际上,很多工程结构类似弹性支撑并易经受剧烈流致振动。尽管关于两个串列圆柱的横向流致振动有了一些前期研究,对涉及到的流固耦合的理解还相当有限。因此,本文旨在通过实验研究两个串列圆柱的流致振动内在机理。利用激光测振仪、热线、压力扫描阀和粒子图像测速技术对圆柱振动和频率响应、表面压力、涡脱频率和流场进行了广泛的测量。设计了一个新型实验装置来测量圆柱振动响应和流致力,从而能够计算附加阻尼、附加质量以及流体和振动圆柱之间的能量传递,进而能够成功挖掘流致振动内在机理。本文系统地研究了一个弹簧支撑圆柱在另一个较小直径固定圆柱尾流中的错流诱导振动。首先,研究确定了六种不同的流动区域。研究表明弹簧支撑圆柱会发生剧烈振动,并记录了圆柱振动和直径比以及间距比的关系。其次,通过仔细研究和分析流动结构以及同时采集到的下游振动圆柱周围的压力分布,对振动的内在机理和其持续原因进行了探讨。最后,揭示了结构振动产生机理。详细地讨论了附加质量、流致阻尼和其它物理参数在振动起始过程中的作用。将振动过渡或增长过程划分为三个阶段:预初期过渡阶段、初期过渡阶段和后期过渡阶段。分析结果表明,在预初期过渡阶段,自然涡脱频率引发了圆柱的振动。涡脱和间隙剪切层的切换的共同作用导致了初期过渡阶段振动的迅速增长。然而,在后期过渡阶段,剪切层的切换维持了圆柱的持续的剧烈振动。当上游圆柱为弹簧支撑从而能够振动时,两个圆柱的振动特性更为复杂,其振动机理尚不清楚。基于此,本文亦通过实验研究了两个相同串列弹性支撑圆柱的流致振动。两个圆柱均仅能在横向方向振动。首先,根据圆柱驰振振动特性和产生机理,确定了四种不同的振动类型。其次,阐明了振动产生和维持的机理。上游圆柱背面的间隙涡引起了流体到圆柱的正的能量传递,从而维持了上游圆柱的振动。另一方面,间隙剪切层的再附着、分离和切换引发下游圆柱受到来自流体的正功,并在维持下游圆柱振动方面起着重要的作用。同时研究表明上游圆柱上侧和下侧间隙剪切层的再附着、分离、卷曲和脱落在一个振动周期中交替出现。研究还对不同初始条件(圆柱振动或固定)和不同圆柱固有频率对另一个圆柱的振动的影响进行了探讨。总之,本文通过实验研究了两个圆柱的横向方向的流致振动。系统地测量了振动响应、涡脱频率、压力分布和力以及圆柱间隙和尾流中的流动结构。确定了不同的流动分区,阐明了剧烈振动内在机理和其持续的原因,并对圆柱振动的起始进行了详细的探讨。结果将有助于彻底理解两个串列圆柱流致振动的内在机理和设计控制方案来抑制振动。同时,结果为柱群结构的设计提供了重要的参考,如斜拉桥拉锁、烟囱群、热交换器管、相邻摩天大楼、海洋立管等。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O353.4

【参考文献】