圓柱渦致振動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、圓柱繞流在自然界是一種非常普遍的現(xiàn)象。在流體力學(xué)研究中，圓柱繞流也是使用最為普遍的模型之一。因?yàn)檫@一簡(jiǎn)單模型包含了許多流體流動(dòng)中出現(xiàn)的復(fù)雜過(guò)程，如流動(dòng)的分離、脫渦、湍流等。當(dāng)流體流過(guò)圓柱體時(shí)，旋渦從圓柱體兩側(cè)交替脫落，并在尾流中形成卡門渦街。交替的脫渦導(dǎo)致圓柱體受到交替的作用力，使得圓柱產(chǎn)生振動(dòng)。這種渦致振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)流動(dòng)的脫渦過(guò)程產(chǎn)生影響，而且可能對(duì)固體結(jié)構(gòu)造成損壞。尤其是當(dāng)脫渦的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率一致時(shí)，這種破壞更為嚴(yán)重。 為

2、了研究渦致振動(dòng)帶來(lái)的影響并減小渦致振動(dòng)帶來(lái)的危害，許多研究者對(duì)渦致振動(dòng)與渦致振動(dòng)控制展開(kāi)研究。渦致振動(dòng)控制的方法很多，一般可以分為被動(dòng)控制法與主動(dòng)控制法。但這些方法大多通過(guò)大范圍改變流場(chǎng)或者需要消耗比較大的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，這限制了它們?cè)诠こ填I(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在本文研究中，我們提出了一種新的主動(dòng)控制方法，對(duì)單圓柱與并列雙圓柱繞流的渦致振動(dòng)進(jìn)行了控制。該方法通過(guò)流動(dòng)控制的方法用微小致動(dòng)器在流動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行擾動(dòng)，影響流固系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，來(lái)控制圓

3、柱的渦致振動(dòng)。 我們知道，在分離點(diǎn)附近流動(dòng)的失穩(wěn)可以迅速被放大，所以在這些區(qū)域進(jìn)行流動(dòng)控制是最有效的。而通過(guò)控制流動(dòng)分離來(lái)控制渦致振動(dòng)也是最經(jīng)濟(jì)最有效的手段。流場(chǎng)中很小的擾動(dòng)也有可能導(dǎo)致流動(dòng)發(fā)生變化，這為通過(guò)小尺寸擾動(dòng)控制大尺寸結(jié)構(gòu)的渦致振動(dòng)提供可能。本課題研究中，我們將在圓柱繞流的分離區(qū)采用周期性激勵(lì)來(lái)影響流體流動(dòng)，進(jìn)而抑制渦致振動(dòng)。 為了方便實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，我們首先建立了典型圓柱渦致振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)模型，并推導(dǎo)出振動(dòng)微分方

4、程與振動(dòng)固有頻率。然后我們分析了渦致振動(dòng)控制所需要的理論振幅。 實(shí)驗(yàn)首先采用了最簡(jiǎn)便的聲激勵(lì)作為致動(dòng)器來(lái)控制圓柱渦致振動(dòng)。聲激勵(lì)實(shí)驗(yàn)控制裝置加工簡(jiǎn)單，安裝方便，因此被用來(lái)檢驗(yàn)控制的可行性，并初步確立控制各參數(shù)。當(dāng)用來(lái)導(dǎo)出內(nèi)置聲激勵(lì)的狹縫尺寸為0.29mm×2mm時(shí)，聲激勵(lì)對(duì)渦致振動(dòng)控制沒(méi)有太大的效果，而當(dāng)狹縫長(zhǎng)度增加到10mm時(shí)，圓柱渦致振動(dòng)開(kāi)始下降。這說(shuō)明擾動(dòng)的范圍必須超過(guò)一定尺度，致動(dòng)器對(duì)流動(dòng)控制才能影響渦致振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，

5、有效激勵(lì)位置在分離區(qū)附近，有效激勵(lì)頻率在剪應(yīng)區(qū)不穩(wěn)定頻率及其倍頻附近的一個(gè)很廣的范圍內(nèi)。當(dāng)激勵(lì)頻率在不穩(wěn)定頻率倍頻時(shí)，控制效果達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)流體流過(guò)一對(duì)并列的圓柱，流體流動(dòng)方式與聲激勵(lì)的控制效果與二者之間的相對(duì)間距(中心距與直徑比值)有很大關(guān)系。在相對(duì)間距為1.2時(shí)，聲激勵(lì)同時(shí)在對(duì)稱的分離區(qū)進(jìn)行擾動(dòng)。結(jié)果顯示控制效果相對(duì)單圓柱單激勵(lì)更加優(yōu)秀。隨著相對(duì)間距增加，控制效果減弱。 盡管聲激勵(lì)作為實(shí)驗(yàn)擾動(dòng)源十分方便，但是聲激勵(lì)同時(shí)會(huì)引入額

6、外噪聲，并且能量損失很大，不適合實(shí)際的應(yīng)用。因此，我們采用一種壓電陶瓷材料的懸臂梁作為新的致動(dòng)器，并根據(jù)模型計(jì)算設(shè)計(jì)了彈性支撐的實(shí)驗(yàn)裝置。 在圓柱處于共振狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行控制的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓電致動(dòng)器各參數(shù)按照聲激勵(lì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化配置時(shí)，單圓柱的渦致振動(dòng)也可以被抑制。并且這種控制在相對(duì)間距為1.2的并列雙圓柱控制中更加有效。證明在流動(dòng)對(duì)稱分離區(qū)兩側(cè)的同時(shí)擾動(dòng)可以更加有效減小渦致振動(dòng)。當(dāng)相對(duì)間距為1.8時(shí)，由于兩圓柱的雙頻脫渦產(chǎn)生，

7、使得控制效果不明顯。當(dāng)相對(duì)間距為3.0時(shí)，兩個(gè)圓柱的相互影響減弱，渦致振動(dòng)控制與單圓柱控制類似。 對(duì)圓柱振動(dòng)速度與尾流中流體波動(dòng)速度測(cè)量發(fā)現(xiàn)致動(dòng)器影響了二者之間的相位關(guān)系。當(dāng)沒(méi)有致動(dòng)器擾動(dòng)時(shí)，兩信號(hào)之間同相波動(dòng)；當(dāng)有致動(dòng)器擾動(dòng)時(shí)，兩信號(hào)在同相與反相之間跳動(dòng)，渦致振動(dòng)的幅值受到抑制。對(duì)流場(chǎng)速度矢量分布的測(cè)量顯示流動(dòng)脫渦強(qiáng)度有所減小。這顯示壓電致動(dòng)器的微小擾動(dòng)影響了流固之間的耦合關(guān)系，削弱了脫渦強(qiáng)度，從而抑制了圓柱的渦致振動(dòng)。致動(dòng)器