第八讲 涡激振动问题

高层建筑涡激共振的危险性

摘要：本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，针对矩形超高层建筑涡激振动的“锁定”状态，提出了两种改进的广义范德波尔振子模型，即igvpo-1和igvpo-2，前者适用于“锁定”风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测，后者适用于“锁定”时最大位移响应幅值的预测。最后，结合气弹模型风洞试验测试数据，实现了对两模型中气动参数的拟合。 关键词：高层建筑；涡激共振；危险性 一、关于涡激共振 当风从非流线型的高层建筑结构构件吹过时，气流就从构件表面剥离，在尾流中产生交替的涡流。当涡流从高层建筑结构构件脱离的频率和建筑结构构件的固有频率一致时，就会发生涡激共振。涡激共振(vortex-excitedoscillation)是一种只在某一风速区域内发生的有限振幅振动，最大振幅对阻尼和断面形状有很大的信赖性，一般发生在比较胖的如圆形断面和宽高比b/d=3以下的矩形断面上，而高层建筑中多采用b/d＞3，因此，涡激共振不是一种危险性的发散振动，能通过增加阻尼或者安装适当的整流装置将振幅限制在可以接受的范围内。 二、高层建筑涡激共振锁定模型建立的基本假定 高层建筑受强风振动的影响，所表现出来的气动力极其复杂，这同时也与建筑几何外形、地理原因、风速和振动幅度等因素息息相关，并随着这些因素的变化自身也呈现出许多非线性特征。考虑到来流会在迎风面角点产生分离，导致高层建筑侧面风压长时间停滞在绕流场的尾流区，这就使得在研究建筑侧面风压合力的形成机理和作用机制时，需要考虑的因素极多。因此，我们在分析此类问题的时候，经常会按照普通情况下，认为高层建筑矩形截面横风向气动力是简单地由下面面部分线性组合而成： 第一部分：受到建筑流场与结构振动两者的相互作用，而形成的气动弹性力(motion induced force)，该作用力是建筑结构是为了改变气流流动，从而在建筑走位产生的附加气动力。 第二部分：高层建筑结构静止时，其受到横向气动力荷载作用，我们可以将之看做是是两个方向的横风向荷载的叠加，即来流中侧向紊流产生的荷载，与静止结构尾流中的旋涡脱落而产生的荷载。如果建筑结构处在涡振“锁定”状态，那么横风向结构振动与涡激力的影响作用将大幅度提升，这时候横风向的振动反应会远远超过顺风向，而相比与前面提到的气动弹性，横风向的气动力比小之又小，几乎可以完全忽略。 三、气弹模型风洞试验对加强高层建筑抗风稳定性的作用 针对高层建筑涡激共振“锁定”的特征，本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，建立了基于超高层建筑气弹模型风洞试验数据的两种改进的广义范德波尔振子模型，简写为igvpo-1和igvpo-2。使用这两种改进的广义范德波尔振子模型能够预测出高层建筑基本振型发生共振锁定时，锁定风速范围内任一风速下的涡振位移响应幅值和最大位移响应幅值，将这两种模型预测值与风洞试验测量值进行比较，结果表明本文提出的这两种理论模型均具有较高的精度。与此同时，笔者还根据高层建筑气弹模型风洞试验所得出的相关数据，对各式各类的斯克拉顿数结构涡激共振提出了预测“锁定风速范围”的计算公式，限于篇幅，此处不表。下图为高层建筑气弹试验模型。 高层建筑结构在风荷载作用下很容易发生静力失稳(扭转发散、横向屈曲)和动力失稳(颤振和驰振)以及风致限幅振动(抖振和涡激共振)。因此设计中除应对高层建筑的静力稳定性、颤振稳定性以及抖振响应作必须的理论分析，还应以模型风洞试验加以佐证。高层建筑的风

涡激振动方法的

科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言 结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡 激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油 从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意 义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还 能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中 的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的 研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流 激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试 验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动 的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情 况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过 基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier- Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用 雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格 子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的 测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字 粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏 涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术 与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟 实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究 从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。 第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动 得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过 直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使 用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡 街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱 落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。 以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性 基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而， 需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困 难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际 问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫 振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实 验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答 上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向： 是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的 转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.Morsea and Williamson,2006;Morsea,et al.,2008）。 流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现 象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率f vs 将与固定圆柱的振动频率f st 相同，即，f st 是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率f ex 。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，f st ≈f ex ）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率f n ，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。 图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征 同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（Krenk and Nielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng ，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St =0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟 在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页） 涡激振动研究方法的探讨 房建党 （上海海事大学物流工程学院，中国上海201306） 【摘要】涡激振动（VIV ）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD ）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。 【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟 【Abstract 】The subject of VIVs is part of a number of disciplines,incorporating fluid mechanics,structural mechanics,vibrations,computational fluid dynamics (CFD),acoustics,wavelet transforms,complex demodulation analysis,statistics,and smart materials.Vortex-induced vibration (VIV)of structures is of practical interest to many fields of engineering.There are three methods on vortex -induced vibration ：Experimental,Numerical simulations,semi-empirical formula,and now we mainly introduce Experimental studies and Numerical simulations on vortex-induced vibration. 【Key words 】Vortex-induced vibration ；Objective ；Experimental ；Numerical simulations 作者简介：房建党（1988，9—），男，汉族，安徽砀山人，上海海事大学在读研究生，机械设计及理论专业，研究方向为港口与海洋装备工程 。 ○高校讲坛○216

海洋立管涡激振动计算方法进展_秦延龙

第23卷第4期2008年8月中国海洋平台CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.4A ug.,2008收稿日期:2008-01-22 基金项目:国家863计划海洋领域重大项目(2006AA09A104)作者简介:秦延龙(1956 ),男,高级工程师,从事海洋工程及深海采油平台研究。 文章编号:1001 4500(2008)04 014 04 海洋立管涡激振动计算方法进展 秦延龙, 王世澎 (中国石油集团工程技术研究院,天津300451) 摘 要:针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行 展望。 关键词:涡激振动;计算方法;经验模型;CF D 中图分类号:P75 文献标识码:A COMPUTATIONAL METHODS PROGRESS OF THE VORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISERS QIN Yan long, WA NG Shi peng (CNPC Research Institute of Engineering Technolog y,Tianjin 300451,China) Abstract:T his paper reviews the liter ature on the com putational metho ds used to investi gate vor tex induced vibration (VIV )of ocean risers in r ecent years.Through conclusion, highlighting the natur e of VIV and how to reduce vibration amplitude ar e the key w ork in the future. Key words:vo rtex induced vibration;com putational m ethods;em pirical models;CFD 0 简 介 海洋立管是海洋平台或钻探船舶与海底井口间的主要连接件。立管系统在工作期间,内部有高压的油和气通过,外部承受海洋环境荷载、冲击荷载以及浮式装置运动等,受力复杂。当波浪、海流经过立管时,在一定的流速下会产生漩涡脱落,使得立管发生横向振动,导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此立管系统的涡激振动问题,受到各国学者的重视,进行了大量的实验和数值模拟工作,并且建立了很多涡激振动模型。本文依托于国家863计划海洋技术领域重大项目 深水半潜式钻井平台关键技术 ,针对国内外近年来关于涡激振动计算方法进行归纳总结与评述。 对于海洋工程而言,涡激振动(VIV)的分析方法主要有两种:(1)通过实验或参数预测的手段,依靠试验数据去获得有效的计算结果;(2)利用CFD 技术求解Nav ier Sto kes 方程,直接求得水动力项。具体如图1所示。 然而,随着近来计算机软硬件以及CFD 计算方法的发展,越来越多的研究者开始采用数值方法。数值方法可以在理想的条件下精确控制影响参数的量值。可以准确地追踪流体力、结构的位移以及流场信息,而不需要像模型实验中那样从实验仪器中提取并经过复杂的数据处理手续。

桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究

桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究 摘要：针对设计中不被重视的涡激共振问题，讨论了桥梁结构涡激振动及其响应分析的复杂性，介绍了几座国外大跨度桥梁结构的涡激振动问题，并比较分析了这些桥梁结构所采用的不同减振措施方案，推荐设计阶段首先选择气动控制措施来抑制桥梁涡激振动，而已建成的桥梁发生涡振病害则更适宜选用机械减振措施。abstract： in view of the ignored problem of vortex-induced resonance in design， this article analyzes vortex-induced vibration of bridge structure and the complexity of response analysis. the vortex-induced vibration problem of some foreign large span bridge structures is introduced and different vibration reducing measures of these bridges are analyzed and compared. it is recommended that pneumatic control measures be firstly used to control the vortex-induced vibration of bridges in design phase， while for vortex-induced vibration of built-up bridges， mechanical vibration reduction measures are more appropriate. 关键词：桥梁；涡激振动；振动控制；气动措施 key words： bridge；vortex-induced vibration；vibration control；pneumatic measures 中图分类号：u441 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）24-0100-03

【CN110273970A】一种抑制涡激振动的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910344900.0 (22)申请日 2019.04.26 (66)本国优先权数据 201910082062.4 2019.01.28 CN (71)申请人 钱日隆 地址 361000 福建省厦门市思明区体育路 115号306室 (72)发明人 钱日隆　 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限 公司 44202 代理人 郭锦辉　陈艺琴 (51)Int.Cl. F16F 15/02(2006.01) (54)发明名称 一种抑制涡激振动的方法 (57)摘要 本发明公开了一种抑制涡激振动的方法，该 方法具体为对受强流体影响而产生涡激物体的 轮廓进行重新设置。这种根据物体结构形状对其 所受的气动力的影响，提供了一种抑制涡激振动 的方法。一般来说在楼房上，灯柱，风力发电支撑 柱，桥梁等生成涡流会严重影响结构的安全，而 只需要对其外形结构进行改造即可抑制其产生 的涡激振动，从而减少由涡激振动易造成物体结 构疲劳破坏以及安装在所述上的附属设施损坏 失效从而造成经济损失。权利要求书1页 说明书4页 附图7页CN 110273970 A 2019.09.24 C N 110273970 A

权　利　要　求　书1/1页CN 110273970 A 1.一种抑制涡激振动的方法，其特征在于，对受强流体影响而产生涡激物体的轮廓进行重新设置。 2.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角设置倒角。 3.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为方形。 4.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为弧形。 5.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为棱柱时，对其棱角进行钝化处理。 6.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角进行钝化处理。 7.根据权利要求3所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述方形倒角的大小占所述物体整体大小的比例越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 8.根据权利要求5所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述棱角设置为与两边相切的圆弧形。 9.根据权利要求6所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述直角设置为与两边相切的圆弧形。 10.根据权利要求8或9所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述圆弧形所对应的半径越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 2