水工結(jié)構(gòu)流激振動水彈性模型研究及應(yīng)用實例

1 緒論

1.1　水工結(jié)構(gòu)的流激振動

1.2　水工泄水結(jié)構(gòu)流激振動工程實例

1.2.1　水工閘門的流激振動

1.2.2　水電站攔污柵的流激振動

1.2.3　消力池分水隔墻的流激振勸

1.2.4　水電站廠房的流激振動

1.2.5　薄拱壩壩身泄洪的流激振動

1.3　水工結(jié)構(gòu)流激振動水彈性模型的發(fā)展

2　水彈性振動相似準(zhǔn)則

2.1　相似原理

2.2　水工結(jié)構(gòu)上的作用力及其比例尺

2.2.1　作用力及其比例尺

2.2.2　動力相似準(zhǔn)則

2.3　幾個重要物理量的比例尺

2.4　重力不起控制作用的流動系統(tǒng)中水彈性振動相似準(zhǔn)則

2.5　閘門啟閉桿和吊繩的水彈性模擬

2.6　關(guān)于變態(tài)水彈性模型

2.6.1 根據(jù)彈性應(yīng)變律導(dǎo)出構(gòu)件縱向振動變態(tài)模擬方法

2.6.2　根據(jù)彈性梁的微分方程導(dǎo)出彎曲振動變態(tài)模擬方法

2.6.3　關(guān)于扭轉(zhuǎn)振動的變態(tài)模擬方法

2.6.4　關(guān)于質(zhì)量的變態(tài)模擬方法

3　水彈性相似模型材料

3.1　鋼結(jié)構(gòu)水彈性相似模型材料

3.2　混凝土結(jié)構(gòu)水彈性相似模型材料

3.3　材料動力特性測試

3.3.1　材料動彈模測試

3.3.2　材料密度測試

3.3.3　模型材料阻尼比測試

4　流激振動模型設(shè)計與制作

4.1　水工鋼閘門水彈性模型

4.2　水工建筑物水彈性模型

4.3　水工水力學(xué)模型

5　實驗?zāi)B(tài)分析

5.1　實驗?zāi)B(tài)分析的理論基礎(chǔ)

5.2　實驗?zāi)B(tài)分析方法

5.2.1　脈沖激振法原理

5.2.2　脈沖寬度的控制

5.2.3　采樣時間間隔△t的選取

5.2.4　變時基傳遞函數(shù)細化新方法

5.2.5　窗函數(shù)在脈沖激振試驗中的使用

5.2.6　錘擊法模態(tài)分析應(yīng)注意的幾個問題

5.3　模態(tài)分析儀器及設(shè)備

6　流激振動試驗

6.1　試驗條件

6.1.1　水力學(xué)條件模擬

6.1.2　止水條件模擬

6.1.3　減振措施試驗研究

6.1.4　通氣條件模擬

6.2　測量參數(shù)與測點布置

6.2.1　振動加速度測量

……

7　閘門結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性

8　水工結(jié)構(gòu)振動原型觀測

9　閘門流激振動全水彈性模型試驗的原型驗證

10　關(guān)于閘門流激振動的安全評價標(biāo)準(zhǔn)

11　水工結(jié)構(gòu)流激振動水彈性模型研究實例

附錄：水工閘門與高拱壩流激振動完全彈性模型照片集錦

參考文獻

作　者：吳杰芳，張林讓 著出 版 社：長江出版社ISBN：9787807082675出版時間：2008-04-01版　次：1頁　數(shù)：134裝　幀：平裝開　本：16開所屬分類：圖書 > 工程 > 水利水電工程

吳杰芳，男，1939年2月生，河南省孟州市人，教授級高級工程師，中共黨員。1964年畢業(yè)于原武漢水利電力學(xué)院數(shù)學(xué)力學(xué)專業(yè)。曾任長江科學(xué)院爆破與振動所副所長，兼湖北省振動工程學(xué)會常務(wù)理事和長江科學(xué)院院報編委。l985--1986年在美國進修大壩抗震技術(shù)。

(1)自激振動。結(jié)構(gòu)物振動的能量來自水流，但水流的脈動卻是結(jié)構(gòu)物振動的直接后果。例如閘門止水有漏水的縫隙使止水振動，而止水的振動可使水流產(chǎn)生脈動。

(2)自控振動。水流的脈動激發(fā)結(jié)構(gòu)物振動，而結(jié)構(gòu)物的振動又對水流的脈動產(chǎn)生制約作用，這兩種作用達到平衡，使振動呈相對穩(wěn)定狀態(tài)。如繞流物體后穩(wěn)定的卡門渦街引起的物體振動。

(3)強迫振動。結(jié)構(gòu)物的振動對水流脈動無明顯反饋作用。例如波浪激發(fā)的建筑物振動，水躍激發(fā)的閘門振動等。

水激振動結(jié)構(gòu)物（水工建筑物）的動力試驗

雖然現(xiàn)在計算技術(shù)得到了很大發(fā)展，但動力試驗仍是解決水激振動的主要手段。一般通過結(jié)構(gòu)動力試驗研究的主要內(nèi)容為：

(1)確定結(jié)構(gòu)物在線彈性范圍內(nèi)的動力特性。如所有有意義的自振頻率和相應(yīng)的振型，它們的阻尼值。這些動力特性可由模型試驗或由原型試驗求得。

(2)確定各種特定荷載下的動力反應(yīng)。如動應(yīng)力和位移等。原型結(jié)構(gòu)的動力試驗主要有人工加振和利用自然振動兩種措施。模型試驗的動力試驗?zāi)壳爸饕屑ふ衿骱驼駝优_兩種方法。

水工建筑物的水彈性試驗要求同時滿足“動荷載”輸入系統(tǒng)相似和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)系統(tǒng)相似，其結(jié)果將要求材料容重比尺等于1，彈性模量比尺等于模型幾何比尺，阻尼比比尺等于1，泊松比比尺等于1，并合理地選取模擬范圍，即邊界條件要求相似。要完整地滿足上述要求是相當(dāng)困難的。一般只能使其中主要項目滿足相似要求。

文獻中也曾有人先將作用在水工結(jié)構(gòu)物上的水流脈動載荷與結(jié)構(gòu)物的自振特性分別定出，然后再用一般動力分析把二者結(jié)合起來從而得出水彈性振動特性，現(xiàn)在用這種辦法的已逐漸減少。

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動。傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出自主的仿魚尾和組合式飄帶兩類流動適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動。主要研究內(nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計并制作各種柔性結(jié)構(gòu)新模型；利用自我發(fā)展的高精度數(shù)值模擬方法對固定圓柱下尾渦控制進行數(shù)值模擬；設(shè)計風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ?、實驗研究固定和振動狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設(shè)計典型水洞實驗?zāi)Ｐ?、實驗研究振動狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動控制機理；深入分析計算和實驗中的機理，探索高效的新型結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵性參數(shù)的適應(yīng)范圍，為尾渦及渦激振動控制提供新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、使用和安全保障提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，其成果在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在許多工程領(lǐng)域如海洋工程及風(fēng)工程領(lǐng)域，都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱尾渦和抑制渦激振動，在圓柱上或周圍附加抑制裝置的被動控制方法是研究的熱點。但傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出附加柔性結(jié)構(gòu)探討流動與渦激振動控制的機理，開展了利用流行的圓柱控制裝置以及自主的仿魚尾和組合式飄帶類流動適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動研究。主要研究內(nèi)容包括：建立了若干類剛性及柔性模型（螺旋、整流罩、分離盤、仿魚尾、絨毛、飄布、飄帶等）關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計并制作了各種傳統(tǒng)模型以及柔性結(jié)構(gòu)新模型；一方面利用自我發(fā)展的高分辨率數(shù)值模擬求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）對固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進行數(shù)值模擬，對自由振動圓柱附加抑制裝置的渦激振動控制進行數(shù)值模擬；另一方面，分別設(shè)計了大和小質(zhì)量阻尼系數(shù)的風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ停芯苛斯潭ê驼駝訝顟B(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設(shè)計了典型水槽實驗?zāi)Ｐ?，研究了圓柱附加典型裝置控制渦激振動的機理。通過深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動的基礎(chǔ)材料、基本結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)，獲得了最佳抑制裝置，如短尾型整流罩、短的柔性分離盤、最佳角度和尾長的仿魚尾結(jié)構(gòu)、柔性布、絨毛等結(jié)構(gòu)；深刻揭示了圓管尾流和渦激振動控制中的尾渦結(jié)構(gòu)、流體力系數(shù)、頻率變化、流激振動、馳振等機理; 首次數(shù)值復(fù)現(xiàn)了近期實驗中發(fā)現(xiàn)的馳振現(xiàn)象，首次風(fēng)洞發(fā)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)的馳振現(xiàn)象。有些結(jié)構(gòu)，特別是長尾結(jié)構(gòu)無論是剛性還是柔性結(jié)構(gòu)都可能引起比傳統(tǒng)VIV更不利的馳振現(xiàn)象，相對來說，仿魚尾結(jié)構(gòu)基本上都能減弱渦激振動且不易產(chǎn)生馳振。本研究為尾渦及渦激振動控制提供了新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、使用和安全保障提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，特別是發(fā)現(xiàn)馳振反而帶來更大的安全隱患，也從新的角度為未來相關(guān)工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動抑制的研究與實際應(yīng)用提出了新的課題。本研究共發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI高水平論文7篇。 2100433B