[发明专利]一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法

说明书

本发明公开了一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法。本发明利用喷射流体的流动调制将边界层的分离及发展控制在近尾流一个很小的范围内，以减小串列双圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免或限制边界层的分离，进而使原本周期性脱落的旋涡及其增强、演化构成的尾流大涡结构在喷射流体的作用下消减或消失、失去周期性，达到消减或抑制串列双圆柱涡激振动的目的。

技术领域

本发明属于军事、海洋、土木及桥梁工程领域，涉及一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法。

背景技术

圆柱体绕流及其涡激振动问题(Vortex-Induced Vibration，简称VIV)是一种涉及流固耦合在多种场合都可能发生的物理现象。涡激振动发生在许多工程领域，如桥梁、烟囱、电力传输线、飞行器表面控制、海洋结构物、热电偶套管、发动机、热交换器、海洋电缆、拖曳缆绳、钻井与生产隔水管、锚泊缆绳、锚泊结构、束缚结构、浮船及立柱船体、管线、电缆铺设、导管架结构杆件以及其他水力学、水声学中的应用。

在深海工程、土木桥梁工程领域，圆柱体结构是工程上应用最多、最广泛的一种结构物，这些领域里有很对结构物都可以看成是双圆柱体或多圆柱体结构。当水流绕过圆柱体时，在一定流动工况下会发生结构物后旋涡脱落的现象，交替产生的周期性的旋涡会诱发结构物与来流垂直方向上产生周期性变化的流体作用力，即所谓的横向力或升力，致使结构物产生振动，特别当流体作用力的周期与圆柱体固有频率接近时会使结构物损坏，即圆柱体的涡激振动现象。对于串列排列的双圆柱体来说，由于一个圆柱体位于另一个圆柱体的尾流内，这时作用在下游圆柱体的流体的流速降低，其振动特性会显现出极大的不同，这种现象被称为“掩蔽效应”；上游圆柱体由于下游圆柱体的存在，受到较低流速的来流的作用，这种现象被称为“堵塞效应”，从而使得两个圆柱体相对于单个圆柱体绕流，表现出了极大不同的振动特性。

串列双圆柱绕流的流型、流场特性等与单圆柱绕流相比更加复杂，它除了受Re数的影响外，还受制于两圆柱的中心距比P/D，如图1所示，其中P是两圆柱中心的间距，D是圆柱的直径。随P/D的不同，图2给出了串列双圆柱尾流有三类基本流型：1.单钝体流型，亦称延伸体流型(1<P/D<2)；2.再附流型，亦称双稳态流型(2<P/D<5)；3.共脱落流型(5<P/D)。其中，再附流型根据上游圆柱剪切层在下游圆柱再附的位置不同(下游圆柱迎流面或背流面)又分为前缘再附(2<P/D<3)与后缘再附(3<P/D<5)两种流型。

串列双圆柱体尾流控制不但能消除其涡激振动，提升结构的使用性能与寿命，而且也能抑制钝体的流向阻力与流动噪声等不利影响。对于我们国家而言，在未来很长的一段时间的经济建设和社会发展中将不可避免地面临串列双圆柱的涡激振动及其控制问题。

目前虽然已有并列排列双圆柱体涡激振动的消减方法，但是并列排列双圆柱体涡激振动的消减方法并不适用在串列排列双圆柱体涡激振动消减上并且在并列双圆柱体涡激振动的消减方法不好的情况下串列双圆柱涡激振动的消减方法会更好。首先，将并列双圆柱体套层上的喷射角应用在串列双圆柱体的套层喷射角上并不能有效的消减串列排列双圆柱体的涡激振动，串列排列双圆柱体中的下游圆柱体始终受到上游圆柱体尾流的干扰，因此下游圆柱体套层喷射角要更大即附加一定的角度。其次，由于尾流控制的引入会使双圆柱体并列排列的情况下原本相互独立的尾流发生耦合，特别是单钝体流型(1<P/D<1.1～1.2)的实际Re数相比单圆柱要高出近一倍，这种情况在双圆柱体串列排列的情况下并不会发生。

发明内容

本发明的目的是针对目前串列双圆柱体涡激振动主动控制技术的不足，提供了一种串列双圆柱体涡激振动的消减方法。