近壁面方柱的流致振动研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:feixiang20090911
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靠近壁面的弹性支撑方形截面柱体结构的流致振动研究在理论及工程应用中具有重要意义。现实生活中,靠近壁面的方柱结构广泛存在,如靠近地面的方形悬索桥,靠近建筑物表面的排风方管、海洋钻井平台等。早先研究发现,在某些特定情况下的流动会对方柱结构的振动状态产生明显影响,甚至诱发弛振等剧烈振动现象从而缩短结构的使用寿命。而在方柱附近的某些结构可以在一定程度上影响其附近的流动特性,进而改变振动响应特性。因此,理解壁面对方形结构的振动影响具有重要的工程实际意义。本文将通过风洞实验的方式系统研究不同间距及攻角对柱体流致振动特性的影响。实验所用方柱布置于风洞测试段中的水平中轴面上,其直径D为30 mm,质量比m*=289.3。将方柱两端固定于特殊弹簧装置上,以保证其在垂直于来流方向上做一维振动。攻角α定义为来流方向与方柱水平中心线的夹角,它可以通过调节方柱两端的螺杆来改变。在方柱正下方水平放置一个前缘为对称翼型的亚克力平面壁,平面壁到方柱底面间的间隙e可由升降手轮调节。间隙比e*(e/D)定义为方柱下缘距离平板表面间的间隙与方柱边长之比。本实验研究选取的参数包括:攻角α为0°,5°,15°,30°和45°,间隙比e*的范围为0.1至2.4,雷诺数Re的范围为1.74 × 103到1.93 × 104。研究中使用激光测振仪、热线风速仪、烟线流动可视化技术来分别测量方柱的振动响应、涡脱频率和尾流结构等。结果表明,当α=0°时,方柱在不同间隙比下呈现四种不同的响应状态:(ⅰ)无振动,(ⅱ)间断的涡激振动和弛振,(ⅲ)连续的涡激振动和弛振以及(ⅳ)仅有弛振。当α=15°,30°和45°时,方柱的振动呈现两种响应状态:无振动和(v)仅有涡激振动。因此根据振动响应情况共划分了五种振动区域。实验发现小间隙比下平板对方柱的振动减弱作用更为显著,主要表现为方柱尾流区域旋涡脱落受到抑制。其次,振动响应与其在0°和5°时明显不同,即α=15°,30°和45°时仅在很小的风速范围内发生涡激振动,未发生弛振现象。
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