高阻尼高雷诺数下串列双圆柱尾流激振数值研究

流激振动水流动能转换装置多柱体阵列涉及复杂的尾流激振问题,其运行时柱体振动具有高阻尼、高雷诺数特征.基于雷诺平均Navier-Stokes方程,结合SST k-ω湍流模型和任意拉格朗日-欧拉流固耦合动网格控制方法建立串列双圆柱尾流激振数值模型,重点考察小间距比(两圆柱中心距离与圆柱外径之比)、高阻尼、高雷诺数条件下串列双圆柱的尾流激振特性.计算时间距比分别为1.5、2、3、4、20,振动圆柱阻尼比为0.12,雷诺数范围为17 000～98 000.结果表明,不同间距条件下下游圆柱振动表现为驰振、分离的涡激振动-驰振、涡激振动等不同的振动特性,振动特性的不同与上游圆柱后面的尾流形态及其剪切层重附于下游圆柱的方式密切相关,间距比为1.5、2时上游圆柱分离出来的剪切层交互式地重附于下游圆柱,使下游圆柱振动表现为驰振;间距比为3、4时下游圆柱振动表现为分离的涡激振动-驰振振动形式,此振动形式的出现与恒定式的剪切层重附方式或剪切层未发生卷曲有关.     

不同索径拉索风雨激励稳定性影响试验研究

在实验室条件下采用人工模拟降雨成功重现了两种直径拉索的风雨激振现象,系统研究了风速、雨强、结构阻尼比等参数对风雨激振的影响以及螺旋线对拉索振动的抑制作用.试验表明,不同折算风速下拉索大幅振动的机理存在一定差异:在较高折算风速下拉索振动更类似限幅的准驰振振动;在低折算风速下拉索的振动与尾流中的低频涡关系更密切,即是一种涡致振动.     

腹板开孔的H型吊杆横风向驰振特性试验研究

通过节段模型静力三分力与测振风洞试验,研究了0°～90°风偏角下不同宽高比B/H与不同腹板开孔率的H型吊杆横风向驰振特性.B/H＝2.4的模型静力试验显示:腹板全封闭时,在0°～8°与64°～90°偏角区间内存在驰振失稳可能,随开孔率增大,驰振失稳偏角区间有所减小且失稳危险性有所降低.B/H＝2.4的模型测振试验显示:腹板全封闭模型在0°与5°偏角较低风速即发生了驰振;开孔率为14%与27%的模型试验风速区间内均无驰振现象,不过开孔率为38%模型在80°,85°,90°偏角高于90 m/s风速下均发生了驰振.宽高比B/H＝1.6腹板全封闭模型试验显示,0°与5°偏角较低风速下也出现了横风向驰振;开孔率38%模型在85°与90°偏角高于110 m/s的风速下也发生了驰振.与改变宽高比相比,适度腹板开孔可明显改善H型吊杆驰振特性.     

港珠澳大桥大挑臂钢箱梁涡激振动特性及抑振措施

港珠澳大桥采用的大挑臂钢箱梁外形较钝,在常遇风速下易发生涡激振动。该文通过一系列节段模型和全桥气动弹性模型风洞试验,详细研究了各种气动措施和阻尼措施对此类断面涡激振动性能的影响。结果表明:大挑臂钢箱梁截面存在2个竖向涡振区和1个扭转涡振区;依据涡振振幅和发振风速区间,通航孔斜拉桥需关注第2个竖向涡振区,非通航孔连续梁桥需关注第1个竖向涡振区;在栏杆上安装弧形扰流板的气动措施可有效改善其涡激振动性能;增加结构阻尼可显著降低其涡振振幅,阻尼比达到1.0%时,涡激振动基本消失,该阻尼限值可作为港珠澳大桥的调谐质量阻尼器的依据;最后,利用三维非线性涡振分析方法对节段模型和全桥气弹模型风洞试验结果的一致性进行了讨论。     

覆冰导线任意方向驰振分析方法

在分析传统单自由度驰振激发机理的基础上,推导任意风向作用下覆冰导线在任意振动方向的单自由度驰振判别式,从理论上证明顺风向驰振发生的可能性.分别运用DenHartog,Nigol判别式和上述判别式,分析风洞试验得到的准椭圆形覆冰导线模型气动力,判断准椭圆形覆冰导线发生驰振的可能性.结果表明,对覆冰导线,该方法不仅可得到可能发生驰振的风向,还可判断可能发生驰振的振动方向.     

经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验

为研究经典式Spar平台的涡激运动和驰振特性,开展了平台在系泊状态下的水池模型试验,分析不同流速作用下Spar平台的横荡运动特性,并通过对比仅流、仅波浪与波流耦合工况试验结果,分析波流耦合作用对Spar平台涡激运动和驰振运动性能的影响.结果表明:高折合速度的海流使得Spar平台发生驰振运动,相比涡激运动,其振荡周期更长、振幅更大,且具有随机性.波流耦合作用不会改变Spar平台流致运动的具体模式,但是显著影响流致运动的幅值.     

迷宫密封气流激振效应对转子振动响应影响的实验研究

用ＰＬ３０２双通道数据采集器在谱分析仪测试了高速转子在升、降速过程中对迷宫密封中气流激振效应的亚异步自激振动响应,得到了振动响应的三维频谱图。实验结果志明,迷宫密封气流激振对高专子振向应有影响,迷宫密封结构参数对转子稳定性有影响。迷宫密封气流激振引起的转子亚异步自激振动有一个转速门槛值,这种振动一旦发生,其振幅随转速的升高而增大,而振动频率维持不变。迷宫密封气流激振引起的亚异步自激振动和油膜涡动有     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

方柱截面驰振分析的能量方法

针对驰振Den Hartog判据的局限性,发展了驰振的能量分析方法:应用CFD动网格技术,计算截面做强迫简谐振动时气动力输入结构的能量大小,判断截面是否具备发生驰振的可能.以方柱截面为主要研究对象,分别通过Den Hartog判据和能量分析方法判断了其不稳定驰振区域,并对两种方法的计算结果进行比较.在验证能量分析方法可靠性的基础上,进一步分析了振动频率、振幅、来流风速对气动力输入能量的影响,确定了方柱截面驰振的最大振幅及抑制振动所需的最小阻尼比.研究结果表明:Den Hartog判据和能量分析方法的结果较吻合,能量分析方法能够用于评判截面的驰振稳定性能.     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

桥梁长索结构风致振动研究新进展

随着桥梁跨径的增大,桥梁索结构的长细比越来越大、频率越来越低,出现了一些 新的风致振动问题,如悬索桥吊索风致振动、斜拉索高阶涡激共振、安装亮化灯具的桥梁索结 构驰振等. 针对这些新挑战,采用现场观测、风洞试验和理论分析等手段,研究人员进行了系统 的机理研究,并提出了一些有效的振动控制措施. 结果表明：悬索桥吊索风致振动的机理复杂, 在斜拉索上积累的振动控制经验难以直接应用,安装刚性分隔架是抑制索股相对振动的有效 手段;已在多座大跨径斜拉桥上观测到斜拉索高阶涡激共振,增加了斜拉索振动控制的难度, 采用双阻尼器是可同时控制斜拉索高阶涡激共振和低阶风雨激振的有效方案;在桥梁索结构 上安装亮化灯具极易引发驰振,增加阻尼器和优化灯具气动外形是避免该类振动的有效措施.     

悬索桥吊杆风致内共振及减振措施初探

基于现场观测,对特大跨度悬索桥吊杆风致振动现象进行了定性分析,排除了尾流驰振、涡激共振以及风雨激振的可能性.通过数值模拟和理论分析,表明这是一种主缆抖振引起的吊杆共振现象.随机风场激起主缆的随机抖振,而主缆的抖振含有丰富的模态成份,当吊杆的自振频率与具有一定抖振能量的主缆模态的频率充分接近时会激发吊杆的共振.因此,从来流紊流风场中获得能量的是主缆而非吊杆自身.由于与主缆的模态质量相比,一根或几根吊杆的模态质量很小,因此吊杆大幅振动吸收的能量并不会对主缆的振动带来实质性的影响,从而可形成一个相对稳定的能量供给机制.此外,在主缆上加设TMD抑制主缆在吊杆自然频率附近的振动,对吊杆风振有明显的抑制效果.     

迷宫密封气流激振效应对转子振动响应影响的实验研究

用PL30 2双通道数据采集器及频谱分析仪测试了高速转子在升、降速过程中对迷宫密封中气流激振效应的亚异步自激振动响应 ,得到了振动响应的三维频谱图。实验结果声明 ,迷宫密封气流激振对高速转子振动响应有影响 ,迷宫密封结构参数对转子稳定性有影响。迷宫密封气流激振引起的转子亚异步自激振动有一个转速门槛值 ,这种振动一旦发生 ,其振幅随转速的升高而增大 ,而振动频率维持不变。迷宫密封气流激振引起的亚异步自激振动和油膜涡动有显著的不同 ,可以用测试转子振动三维频谱图的方法来诊断高速转子的复杂故障     

海洋立管涡激振动抑振-俘能装置试验研究

设计了一种海洋立管涡激振动涡轮式抑振-俘能装置,并在波-流联合水槽中对3种不同覆盖率的抑振-俘能装置进行试验研究。通过变化外流流速与装置覆盖率,分析立管的位移均方根、抑振效率、发电量等参数,揭示不同流速与不同覆盖率对装置抑振效率及俘能效率的影响;结合装置发电效率和抑振效率,探索俘能与涡激振动抑制之间的耦合作用机理。研究结果表明：涡轮式抑振-俘能装置可以有效降低立管的振动幅值,在试验约化速度范围内的整体抑振效率高于60%,最大抑振效率可达97.13%;当约化速度满足装置俘能发电的最低限值后,发电量随着约化速度的增加稳步提升;抑振效率对于覆盖率的敏感度较低,抑振-俘能装置的发电效率受约化速度影响较大,在高约化速度下装置不仅可有效抑制涡激振动,还能够达到理想的发电效率,电量最大值时的抑振效率为81.85%。     

错列布置下游圆柱尾流驰振特性的数值模拟与荷载分析

尾流驰振气动荷载在实验中测量较为复杂,利用Fluent数值模拟可以较快得到尾流驰振全过程的气动荷载并加以分析。采用基于2DRANS的SST k-ω非平稳湍流模型,利用ICEM对流域进行结构化网格划分,结合动网格技术以及用户自定义接口编程,将计算结构响应的Newmark-β代码嵌入Fluent软件进行流固耦合数值模拟。假定上游圆柱固定,下游圆柱简化为两自由度的弹簧振子,在流向间距和横向间距为L/D=2、T/D=1,折减风速V_r=6-50,雷诺数Re=2.4×10³~2.82×10⁴的范围内,研究了下游圆柱的尾流驰振特性,并将模拟得到的尾流驰振结果与准定常数值计算结果进行对比分析。结果表明,尾流驰振振幅会随着折减风速增加而接近线性增加,Fluent数值模拟结果与已有实验结果吻合较好,验证了SST k-ω湍流模型模拟尾流驰振的可行性;在涡激共振区尾流抑制了下游圆柱表面的随机涡脱;下游圆柱尾流驰振运动轨迹为具有明确方向性和自限性的椭圆环;准定常数值计算方法对涡脱频率和自然频率的高倍频考虑不足,但是2种方法得到的位移时程结果吻合度非常高,自振频率的前四阶倍频的自激力对振动位移响应起主要控制作用,在一定程度上说明尾流驰振是一种自激振动。     

斜风下典型桥塔抖振性能的比较

为了研究斜风中自立状态下桥塔的抖振性能,进行了倒Y型和钻石型桥塔的气弹模型试验,并对比分析了几种典型桥塔的抖振性能.试验结果表明:当桥塔横桥向结构为H柱时,抖振响应-风偏角曲线出现一个较明显波峰,且响应最大值出现在峰值处;当桥塔横桥向结构为独柱时,抖振响应-风偏角曲线变化较为平缓,没有明显波峰出现;当桥塔横桥向结构介于上述两者之间时,抖振响应-风偏角曲线出现一个波峰,但峰值较小.在不同紊流度和风速的流场下,桥塔抖振响应-风偏角曲线均具存在上述规律.同一风偏角下,桥塔抖振响应为风速二次曲线,但受涡振或驰振现象的影响.总之,斜风下典型桥塔抖振响应曲线与其横桥向结构形式、风偏角和来流风速有关,与紊流度无关.     

高温环境下钢柱动力位移与动内力的解析法

根据非线性振动理论和钢结构抗火原理,就钢柱动力位移的渐进解法进行了探讨.导出了高温环境下钢柱的动力位移的解析表达式,并给出了近似解,分析了激振参数和热参数对钢柱动力性能的影响,得出了考虑热效应时钢柱的动内力计算公式.     

既有拱桥光彩亮化改造后吊索的涡振性能

为确定既有拱桥亮化改造后柔性吊索的涡激共振性能，结合数值模拟和风洞试验 开展了研究 . 针对既有吊索和新增吊索的亮化方案，对典型断面在不同来流风向下的绕流特 性进行了模拟，并讨论了气动力系数和旋涡脱落行为随风向角的演变规律. 然后，通过节段模 型风洞试验测试了吊索在不同风向角来流作用下的涡振响应，并结合数值模拟的结果对试验 现象进行了分析. 结果表明：在既有吊索上安装亮化灯具显著改变了其涡振性能. 当来流风垂 直于桥轴线时，沿索轴方向两种典型截面的旋涡脱落频率、强度有较大差异，减小了吊索整体 发生涡激共振的可能；当来流风向角在 30°附近时，两种典型截面的旋涡脱落特性趋于一致， 增大了吊索整体发生涡激共振的可能 . 新增吊索更为轻柔，外包矩形灯罩后发生涡激共振的 可能性很大，需要考虑必要的抑振措施.     

不同风攻角下分离式双箱梁涡振气动力演化和局域相关性研究

通过弹簧悬挂节段模型同步测振测压风洞试验模拟结构涡激振动,以1座大跨度斜拉桥的分离式双箱梁为研究对象,测定均匀流场中不同风攻角下的涡振响应及表面风压。基于局部特征区域气动力与断面总体气动力的局域相关性概念,分析竖弯涡振时上游断面迎风侧下斜腹板、下游断面迎风侧斜腹板及顶板这3个关键局部特征区域的气动力演化特性及其与整体总气动力的同步演化关系。研究结果表明：当改变来流攻角时,在分离式双箱梁涡振过程中,不仅会使浸没在流场中的绕流状态、旋涡作用位置发生改变,还会使局部气动力与整体气动力的相关性发生改变。虽然断面不同区域的局部气动力与总体气动力的振动卓越频率相同,但其高阶谐波分量对应频率参与涡振作用的比例却随着风攻角变化而发生变化。另外,分离式双箱梁下游断面迎风侧斜腹板区域与整体断面的涡振特性有着较强的同步演化关系,在实际工程中需重点关注。     

反共振现象及其应用

对于两个自由度的强迫振动,当激振力的频率为某一值时,会出现一个振动静止的反共振现象,这种反共振现象可以避免机器及结构物共振动的发生。