[发明专利]一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置及方法

权利要求书

1.一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置，由旋摆模块和开窗引流网罩（4）组成；旋摆模块包括两个转动轴承（2）、四个圆盘轴承（7）、两个固定支架（3）、八个弧形开孔叶片（6）和一个鱼尾式隔水板（5）；转动轴承（2）为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承（2）内径等于立管（1）的外径，上、下两个转动轴承（2）按间隔一个开窗引流网罩（4）的高度套装固定在立管（1）外壁；鱼尾式隔水板（5）为表面开有均匀水平凹槽的鱼尾形塑料板，鱼尾式隔水板（5）的上、下两端分别插入上、下两个固定支架（3）的隔水板插槽（8）安装固定，并使鱼尾式隔水板（5）的尾端向外；圆盘轴承（7）内嵌圆柱滚子，一端为圆盘面；其特征在于：固定支架（3）为圆环一侧连接有三根棍柄的三趾爪形结构，所述的三根棍柄的中间一根为长棍柄，其余两根是关于中间长棍柄对称布置的短棍柄，长棍柄轴向开有隔水板插槽（8），短棍柄端部伸出固定支撑柱，用于固定圆盘轴承（7）；固定支架（3）的圆环内径等于转动轴承（2）的外径，上、下两个固定支架（3）通过各自的圆环分别套装于上、下两个转动轴承（2）外，且上固定支架（3）长棍柄上的隔水板插槽（8）开口向下、下固定支架（3）长棍柄上的隔水板插槽（8）开口向上；在固定支架（3）的每个短棍柄端部伸出的固定支撑柱外套装一个圆盘轴承（7），每个圆盘轴承（7）的圆盘面上沿周向均布四个通孔；弧形开孔叶片（6）为横截面为翼形的长条形叶片，在弧形开孔叶片（6）上沿垂向等间距开有通孔，弧形开孔叶片（6）的两端设支撑柱，弧形开孔叶片（6）的支撑柱伸入圆盘轴承（7）的通孔中固定；每对上、下对应的圆盘轴承（7）间固定四个弧形开孔叶片（6），且固定后的弧形开孔叶片（6）的翼形头部向内、尾部向外，四个弧形开孔叶片（6）呈旋转轴对称布置；开窗引流网罩（4）为一圆筒，在其表面沿轴向等间隔开有引流窗口（9）和射流出口（10）；在同一水平高度，开窗引流网罩（4）的一侧开有一个引流窗口（9），另一侧开有两个射流出口（10），且该引流窗口（9）与两个射流出口（10）间的开窗引流网罩（4）的筒壁内空，使引流窗口（9）与两个射流出口（10）连通；在开窗引流网罩（4）上每两个引流窗口（9）之间的区域沿周向均匀开设网状通孔，使开窗引流网罩（4）的内、外侧连通；开窗引流网罩（4）由塑料加工成型，开窗引流网罩（4）的内径等于转动轴承（2）的外径，开窗引流网罩（4）套装于转动轴承（2）外，且开窗引流网罩（4）的上、下两端分别紧挨上、下两个固定支架（3），并使开有引流窗口（9）的一侧背向鱼尾式隔水板（5），引流窗口（9）的垂直中心线与鱼尾式隔水板（5）在同一平面，射流出口（10）正对临近鱼尾式隔水板（5）的一个弧形开孔叶片（6）的弧面。

2.如权利要求1所述的开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述的引流窗口（9）对应的圆心角为90°，所述的射流出口（10）对应的圆心角为10°；所述的射流出口（10）中心和开窗引流网罩（4）圆心的连线与鱼尾式隔水板（5）所在平面构成的锐角为60°。

3.一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置，其特征在于：海流与鱼尾式隔水板（5）间存在攻角时，鱼尾式隔水板（5）在海流的冲击下发生旋转，直至鱼尾式隔水板（5）绕至立管（1）的背流侧且与海流流向处于同一平面；一方面，海流从开窗引流网罩（4）的网状通孔部分通过，受网状通孔的节流和整流作用，海流的流向和流速得到调整，同时网状通孔使立管（1）周围的绕流边界层受到破坏，加剧了绕流边界层的湍动强度；另一方面，海流从开窗引流网罩（4）的引流窗口（9）通过，沿着开窗引流网罩（4）圆筒壁内的内空通道流至射流出口（10），从射流出口（10）喷射出的海流对立管（1）背流侧的尾流区产生了强烈的扰动，使尾部旋涡受到挤压破碎，此外，射流出口（10）喷射出的海流冲击在弧形开孔叶片（6）的弧面上，推动弧形开孔叶片（6）旋转；而被开窗引流网罩（4）的网状通孔节流阻挡的水流部分转移至从引流窗口（9）通过，增加了引流窗口（9）过流的流量，增大了射流出口（10）的流速，加速了弧形开孔叶片（6）的转速；由于开窗引流网罩（4）圆筒表面的网状通孔和引流窗口（9）交替布置，使得海流在垂直方向产生了流动的转移，分散了绕流流体的总能量；在射流出口（10）水流的冲击下，鱼尾式隔水板（5）两侧的弧形开孔叶片（6）旋转方向不同，但均由立管（1）外侧向立管（1）内侧旋转，使得外部流体的动量注入到立管（1）壁面的绕流边界层中，推迟旋涡的形成；同时，部分水流从弧形开孔叶片（6）上的通孔流过，使弧形开孔叶片（6）在旋转的过程中对周围流体产生深度的扰动作用，破坏立管（1）绕流旋涡的形成；水流流至立管（1）背流侧后，鱼尾式隔水板（5）将两侧水流分割，抑制了旋涡的发展，且部分水流沿鱼尾式隔水板（5）的水平凹槽流动，对水流的流动方向又再次做了调整；因而，在开窗引流网罩（4）的网状通孔节流、引流窗口（9）导流、射流出口（10）喷射出流、弧形开孔叶片（6）旋转调配边界层动量和扰乱空间流动、鱼尾式隔水板（5）分割流动空间和调整流向的共同作用下，使立管（1）绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点和三维尾流旋涡结构，使绕流流场的湍动强度增大，抑制了大旋涡的形成，从而实现了无能耗的涡激振动抑制。