渦激振動(dòng)現(xiàn)象概述

對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動(dòng)問題時(shí)，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個(gè)問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動(dòng)過(guò)程中，流體的動(dòng)壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動(dòng)壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度;另一方面，流體動(dòng)壓力的作用又會(huì)改變彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對(duì)于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場(chǎng)存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場(chǎng)的流動(dòng)特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無(wú)量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來(lái)表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長(zhǎng)度（m）；

T為相關(guān)的特征時(shí)間（s）。

主要的研究方法有三種：

實(shí)驗(yàn)方法

瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動(dòng)是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合，相互作用的復(fù)雜過(guò)程。需要具有一套完整物理實(shí)驗(yàn)方案和精密的實(shí)驗(yàn)儀器可以把所有的渦激振動(dòng)相關(guān)機(jī)型同步觀測(cè)，以測(cè)定其聯(lián)合效應(yīng)。物理實(shí)驗(yàn)往往很難同時(shí)提供流體的瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)。

數(shù)值方法

振動(dòng)問題。對(duì)于數(shù)值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬方法分為:直接數(shù)值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基于上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基于彈性支撐的剛體二維模擬，基于彈性體二維渦元模擬和三維結(jié)構(gòu)插值積分的離散渦元法模擬，以及對(duì)于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經(jīng)驗(yàn)公式

半經(jīng)驗(yàn)公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。

流固耦合數(shù)值計(jì)算軟件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

假若構(gòu)件的自振頻率與漩渦的發(fā)放頻率相接近就會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振破壞，這種現(xiàn)象容易發(fā)生在高聳結(jié)構(gòu)物上，因此這種渦激振動(dòng)是極其有害的，需采取措施阻止它的發(fā)生。一般可采取兩方面措施：一是對(duì)于構(gòu)件進(jìn)行剛性加固，或者增大尺度提高其剛度，改變構(gòu)件的自振頻率，避免它與漩渦發(fā)放頻率相接近；二是想辦法改變構(gòu)件后的尾流場(chǎng)，破壞尾流場(chǎng)漩渦的規(guī)律性泄放，如在結(jié)構(gòu)上安裝螺旋線立板和改變結(jié)構(gòu)截面形狀等。

2020年5月6日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報(bào)稱，專家組判斷，虎門大橋5日發(fā)生振動(dòng)系橋梁渦振現(xiàn)象，并認(rèn)為懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，不會(huì)影響虎門大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

截至2020年5月6日11時(shí)，渦振仍未停止。葛耀君解釋，二次渦振的成因與第一次渦振沒有直接的聯(lián)系，已經(jīng)安排儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，專家組正在對(duì)二次渦振的成因進(jìn)行調(diào)查。

2020年5月11日，據(jù)中國(guó)交通報(bào)發(fā)布 ，據(jù)專家分析，水馬是虎門大橋渦振誘因，虎門大橋結(jié)構(gòu)安全，相關(guān)抑振措施正在研究實(shí)施中。 2100433B

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(dòng)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(dòng)，在圓柱上或周圍附加抑制裝置的被動(dòng)控制方法是研究的熱點(diǎn)。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(dòng)與渦激振動(dòng)控制的機(jī)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(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)研究。主要研究?jī)?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(jì)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(duì)固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)自由振動(dòng)圓柱附加抑制裝置的渦激振動(dòng)控制進(jìn)行數(shù)值模擬；另一方面，分別設(shè)計(jì)了大和小質(zhì)量阻尼系數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了固定和振?dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)了典型水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了圓柱附加典型裝置控制渦激振動(dòng)的機(jī)理。通過(guò)深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)控制中的尾渦結(jié)構(gòu)、流體力系數(shù)、頻率變化、流激振動(dòng)、馳振等機(jī)理; 首次數(shù)值復(fù)現(xiàn)了近期實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)尾結(jié)構(gòu)無(wú)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(duì)來(lái)說(shuō)，仿魚尾結(jié)構(gòu)基本上都能減弱渦激振動(dòng)且不易產(chǎn)生馳振。本研究為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供了新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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(lái)更大的安全隱患，也從新的角度為未來(lái)相關(guān)工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動(dòng)抑制的研究與實(shí)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

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)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(dòng)。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(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)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(duì)固定圓柱下尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)研究固定和振動(dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)典型水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)研究振動(dòng)狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；深入分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中的機(jī)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(dòng)控制提供新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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。

對(duì)于實(shí)際大跨度橋梁主梁而言，渦激振動(dòng)屬于沿跨向的三維問題，除振型的影響外，渦激氣動(dòng)力沿跨向是非完全相關(guān)的(或稱其為偏相關(guān))?，F(xiàn)行的、基于模型風(fēng)洞試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)建立的渦激力半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嗷诙S理論，極少考慮渦激氣動(dòng)力的偏相關(guān)，從而導(dǎo)致節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果直接拓展到全橋時(shí)存在較大誤差，進(jìn)而造成對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的誤判。課題分別基于Scanlan渦激力經(jīng)驗(yàn)線性及非線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在引入可能影響渦激力相關(guān)性參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頻域內(nèi)研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性。通過(guò)Fourier變換及Duhamel積分等數(shù)學(xué)原理得到二維力譜到三維廣義力譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，定義了二維與原型橋梁渦振響應(yīng)之間的折減系數(shù)，給出了將節(jié)段模型渦振試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到原型橋梁的具體理論方法，并給出了渦激力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭写R(shí)別參數(shù)的修正方法。通過(guò)節(jié)段模型表面測(cè)壓試驗(yàn)研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性，并擬合得到相關(guān)函數(shù)。最后，通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)、全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料很好地驗(yàn)證了本文的理論。 2100433B