圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施

第11卷第4期中国水运V ol.11
N o.4
2011年4月Chi na W at er Trans port A pri l 2011
收稿日期：3作者简介：韩韶英（5），女，青岛市人，中国海洋大学工程学院，硕士生。

圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施
韩韶英
（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）
摘
要：圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施主要包括开孔管套、丝网、轴向棒条和轴向板条，由此演变出的相应装置
在工程实践中有所应用，但目前尚未完全了解其作用机理。

本文总结评述各种全向裹覆减阻减振措施和研究成果，可为相关研究工作和工程实践提供参考。

关键词：全向裹覆；减阻；减振；开孔管套；丝网；轴向棒条；轴向板条中图分类号：TU 431文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）04-0146-05
一、引言
研究圆柱绕流的物理特性，寻求有效的涡激振动控制方法，减小结构所受的振动和阻力具有重要的意义。

20世纪60年代，一些学者提出了“卷吸层”（E nt rain men t Layer ）和“汇流点”（Con flu en ce Poin t ）的概念[1，2]，用以解释涡脱落机理和相关的现象，提出了一些影响卷吸层的裹覆类减阻减振方法，本文就其中的全向性方法（开孔管套、丝网、轴向棒条、轴向板条）的研究成果进行回顾和评述，以便为今后的研究工作和工程实践提供参考。

二、减阻减振被动控制措施1．旋涡形成脱落机理Gerra rd
[3]
阐述了旋涡形成脱落机理。

他认为，上面的
旋涡在它所在一侧剪切层的涡量供应下，涡量强度不断增长，拖曳对面的剪切层穿过尾迹，这些被拖曳的剪切层携带着具有反方向涡量的流体，切断了上面旋涡的涡量供应，最终导致了旋涡的脱落。

接下来，下面的旋涡成长充分之后，将会拖曳上面的剪切层携带着具有反方向涡量的流体穿过尾迹，从而造成下面旋涡脱落到下游。

这个过程不断重复造成旋涡交替脱落，在圆柱下游形成了涡街。

涡的形成和脱落有两个重要因素：（1）剪切层必须卷起，形成具有充分强度的旋涡；（2）剪切层之间的相互作用。

因此，破坏这两个因素中的任意一个因素，都有可能达到抑制涡激振动的目的。

另外，除剪切层提供的有旋流体之外，其中的卷吸层对于无旋流体的挟带输送效应对于旋涡的成长也是必需的[4]。

而汇流点（图1标示圆柱体两侧的卷吸层相遇和相互作用的区域）从尾流轴线的一侧移动到另一侧与涡脱落有关[4]。

上述原理如图1所示。

2．减阻减振被动控制方法
为有效降低绕流阻力及振动所造成的破坏，避免涡激振动的产生，各国学者进行了大量研究[5，6]。

人们提出很多减阻减振及涡激振动抑制方法，主要分为主动控制和被动控制两种，主动控制方法目前尚处于理论研究阶段[3]。

被动控制直接改变结构表面形状或者附加额外的装置以改变绕流场，从而控制旋涡的形成和发展过程，抑制涡脱落。

与主动控制相比，被动控制装置设计简单、易于制作、安装，维护成本
较低，因此得到了广泛应用。

a 、
b 表示流体的挟带输送，
c 为分离剪切层卷起形成的逆流。

图1原理示意图
图2全向裹覆减租减振方法示意图
Zd ravk ovich [2]将被动控制方法分为三类：（1）表面突起，影响分离线或分离剪切层，如螺纹、线条、翼片、螺栓和半球面等；（2）裹覆，影响卷吸层，如穿孔、丝网、控制杆和轴向板条等；（3）近尾流稳定器，阻止卷吸层的相互作用，如飘带、整流罩、分隔板、导向翼、底排和狭缝等。

前两类方法中大部分具有全向性，如螺纹、线条和裹覆等，它们对于各种来流方向都有效；第一类中的部分和所有第三类方法是单向性的，仅对单一来流方向有效，如翼片、部分裹覆和近尾流稳定器等。

为了解决方向敏感性问题，人们将某些单向性装置安装在可自由转动的推力套环上，使其能够按
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第4期韩韶英：圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施147
照流场情况自动调整方向，从而成为全向性装置，比如风向标型整流罩等。

但有些单向性装置很难使其具有全向性，这时全向性减阻减振装置就显示出优势，其中全向裹覆减阻减振装置对于降低圆柱所受阻力和升力效果明显。

全向裹覆减阻减振方法主要包括开孔管套、丝网、轴向板条和轴向棒条等，当它们沿圆柱周向完全裹覆时才是全向裹覆法，否则就成为单向性方法。

图2给出其中几种方法的示意图。

三、全向裹覆减阻减振方法
1．圆形开孔
1956年，Price[6]首次将裹覆作为涡致振动抑制方法进行研究，发现在普通圆柱外套一个同轴开孔（圆孔）管套对所有测试刚度范围的圆柱都有很好的抑振效果，刚度越高减振效果越好。

他认为这是因为流体流过开孔管套，圆柱紧邻的流体被分离成相比典型卡门涡街更高频率的无数细小旋涡，从而推迟了发生于圆柱下游几倍圆柱直径长度处由于流动周期不对称以及较小旋涡合并引起的主要涡街的形成。

开孔管套直径为1.25D（D主圆柱直径），孔隙率37%（总开孔面积与裹覆总面积的比率），开孔直径0.125D，孔平行垂直于轴线规则排列时效果较好。

Price[6]进行了1×105<Re<4.5×105范围内的风洞实验。

普通圆柱临界点发生在雷诺数为2.5×105时，伴随阻力系数降低为0.3，添加圆孔管套后阻力系数大体保持为常数0.6，减小孔径和增加间隙将引起阻力系数的增大。

开孔管套能够降低阻力这一特点非常值得注意，减阻减振方法研究至今，能同时减小阻力和振动幅度的方法也非常少见。

Price推断，阻力系数的稳定性表明在所测试的雷诺数范围内，裹覆圆柱的流动性质没有本质上的改变。

2．方形开孔
1968年Walsh e[7]在英国国家物理实验室针对发电站的排气管群和海洋结构做了一些实验。

发现尽管所取的是相对来说最有效的几何参数，但是实验证明无论柱间间隙还是孔隙率其实限制的都并不严格。

尽管不同几何参数的微小差异带来迹线模式的微小不同，但是其作用机理基本相同。

Walsh e[7]进一步对超临界雷诺数范围开孔管套的几何形状和有效性进行了研究，发现方孔管套比圆孔管套效果好。

1969年Kn ell[8]测量了孔隙率为20%和36%，相应孔边长0.07D和0.05D，8×104<Re<3×106的阻力，得到基于圆柱直径的开孔管套的阻力系数为0.9，并且基本稳定，两种空隙率下几乎没有差别。

1970年Woott on和Y a tes[9]改进了测量方法，将套管所受的阻力从圆柱所受的阻力中分离出来。

管套与圆柱直径比为1.18、1.23、1.27、1.375，管套直径105m m，方孔间距10mm，相对应36%和20%的边长分别为6m m和4.47mm。

发现管套的阻力系数为0.7，圆柱阻力系数0.2（系数计算都是基于圆柱直径）。

证明开孔套管有两个功能：（a）扰乱圆柱周向与展向由于旋涡脱落引起的任何相关的不规则压力波动；（b）提供增强的气动阻尼抑制横向振动的产生。

他们得到了与Price[6]相同的结论：相比其它涡激振动抑制方法，开孔套管总体阻力较低。

1972年W和y[]研究了两根振幅比较大的柔性圆柱串联布置时方形开孔管套的有效性。

两圆柱间距D，上部1/4裹覆了方形管套。

研究发现，两圆柱均裹覆管套和上游圆柱裹覆下游圆柱不裹覆时，振动抑制效果都很差。

上游圆柱不裹覆下游圆柱裹覆时稍有改善。

3．丝网
1968年Mos s[11]实验得到流致振动发生“锁定”时的约化速度（流速与固有频率和圆柱直径乘积的比值V/ND）在5左右。

1971年Zd ravkovich[12]实验发现轴向棒条涡激振动抑制措施能够引起圆柱后稳态压力分布的独特改变[13]。

为了研究观察到的这种压力分布特性是否也出现在其它裹覆涡激振动抑制措施中，同时也针对开孔管套研究约化速度都比较低的缺陷，1972年Zd ravkovich[14]对约化速度高的大振幅振动进行了研究。

实验中采用了三种孔隙率均为36%的开孔管套，孔形分为圆孔、方孔和丝网，各孔形尺寸为：圆孔直径12.70mm，方孔边长9.26mm，丝网类型100型金属丝，直径0.102m m，孔边长0.152m m。

附加不同孔形的裹覆装置后，弹簧刚度不变的情况下，较高换算速度时的振幅出现猛烈下降；相比之下，圆孔作用最小，方孔稍好，丝网作用最大。

测量了雷诺数1.26×105和1.78×105，有和没有裹覆两种情况下圆柱周围的稳态压力系数。

圆孔管套，稳态压力系数低压区起始点由90°转变为120°，低压区角宽变小，方孔管套，稳态压力系数低压区起始点在130°左右，无论是方孔还是圆孔管套基准压力系数都明显增加。

丝网裹覆的稳态压力系数曲线与上两种类似，但压力系数在100°附近随角度的增加变缓，而基准压力系数与无裹覆圆柱基本相等，没有显著增加。

雷诺数1.78×105分离点前的圆柱边界层转变为湍流，分离点从85°移动到120°，应用裹覆装置后的稳态压力系数曲线与雷诺数1.26×105时的曲线非常相似。

Zd ravkovich[14]推断圆柱后部稳态压力分布低压区角宽明显减少可以作为该涡激振动抑制措施有效的象征。

4．轴向棒条
轴向棒条[15]轴线与圆柱轴线平行，由环形钢筋定位卡固定，通过逐步抽出棒条可以改变圆柱周围裹覆装置的孔隙率。

轴向棒条相比开孔管套有特殊优势，如可避免海洋环境中冰或海藻的阻塞等。

改变孔隙率大小（24%-96%）、管套与圆柱直径比（1.08、1.165、1.25、1.50）、孔隙率圆周分布（棒条数目218至4）以寻求最优几何结构。

管套与圆柱直径比为1.08时，高孔隙率（81%和91%）比低孔隙率（24%和62%）效果好，孔隙率90%效果最好，此时圆柱周围仅在±55°，±177°和180°处共5根棒条。

这种布置抑制管束流致振动非常有效[16]。

而管套与圆柱直径比为1.5时的变化趋势却完全相反，效果最差的是孔隙率62%，81%和90%时。

这样的直径比下最有效的孔隙率为24%，但依然比不上直径比1.08，5根棒条时的效果。

处于中间的直径比1.16和1.25同样具有降低孔隙率增强有效性的变化趋势。

在实验的范围内，直径比1.25时的最优孔隙率为24%和63%，直径比 1.16时为62%和81%。

水动力实验4×103<Re<1.5×104以及风洞实验Re=2×105都证明了轴向棒条的有效性。

Zdra vk ovich[15]取其中效果最好的几何尺寸（管套与圆柱直径比5，孔隙率63%）来检验不完全裹覆的有效性。

将5根棒条抽掉3根，形成°的“缺口”，
alshe Cowdre10
9
1.2
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结果发现，当缺口面对上游或者在侧边有效性都不会明显降低，一旦“缺口”面对近尾流区，有效性就大大降低了。

裹覆装置在大风或者强浪流的作用下会导致一定的位置偏移。

为了研究偏心率对裹覆装置涡激振动抑制效果的影响，1972年Zd ravk ovich和Sou t hw orth[17]采用轴向棒条对带偏心率的裹覆圆柱的振动特性和阻力进行了研究。

文中考虑了三个偏心方向：向上游偏心、横向偏心和向下游偏心。

棒条直径3.18mm，共50根，外面裹覆圆筒直径12.2cm，内圆柱直径10.15cm，半径比1.2。

偏心率（两圆中心距离/半径差）为0，0.156，0.313和0.625，孔隙率为63.2%，雷诺数范围为3×104至1.7×105。

发现与同轴裹覆装置相比，施加任意方向和大小的偏心率都能减少亚临界流域的振动幅度，向上游偏心的裹覆系统阻力曲线接近但是仍低于无偏心的阻力曲线；向下游偏心的裹覆系统的抑振效果在约化速度小于60时比较好，振动幅度相对无偏心降低50%，约化速度大于85以后，抑制作用不再有优势；横向偏心的抑制效果最好。

换算速度达到120以后，曲线开始出现汇聚点，偏心不再有抑制优势。

在亚临界区轴向棒条裹覆装置的阻力比简单圆柱的小，到了过渡区则呈现出相反的效果。

在偏心率对阻力系数影响的实验中，得出横向偏心会大幅增大阻力系数。

5．轴向板条
1977年Won g[18]提出一种轴向板条法，最优配置包括25根板条，每根宽0.087D，“孔隙率”40%，直径比1.286。

在雷诺数1.5×104至1.5×105范围内，阻力系数测量值几乎为常数，C
D
=1.1。

Won g[19]又开展实验对比了开孔管套、轴向板条和螺旋条纹3种抑制措施的性能。

当抽掉轴向板条上游和下游一定角度内的板条，其抑制振动和降低阻力效果在上面提到的几种方法中最好，对主管涡激振动响应振幅的抑制作用最强，且能够减小主管的拖曳力，但是会变成单向性方法，对来流方向十分敏感；开孔管套对振幅的抑制作用最低，但对拖曳力的消减作用最强；而螺旋条纹会显著增加主管的拖曳力。

轴向板条的主要缺点是造价昂贵。

1980年Galbraith[20]采用Won g[18]的研究结果进行实验。

他在文章中采用了雷诺数5000，根据几名研究者观察[6，8-9，17-18]，带裹覆措施圆柱的阻力系数对雷诺数并不十分敏感。

根据p rice的相关研究[6]，这一特点可能暗示着裹覆装置流动模式的相似性。

在这一低雷诺数下测得的结果可能可以适用于比通常期望的更大的雷诺数范围。

因此，G alb rait在这一雷诺数下，采用简单圆柱、1/3覆盖率圆柱、全裹覆圆柱进行了流动模式的可视化研究。

尽管他的实验设施具有一些局限性，比如（1）模型是固定的，而不是可以自由振动的；（2）拍摄措施比较落后，只能拍到瞬间一小部分的流动状态；（3）雷诺数采用的是5000。

但是，首先他所采用的轴向板条的涡激振动抑制效果非常好，圆柱振动非常微小，基本可以忽略。

其次，简单圆柱的流动模式在雷诺数300≤Re≤13000之间是基本类似的[21]，阻力系数对雷诺数不敏感。

他认为虽然他的研究仅考虑了轴向板条，但是其抑制机理与其他开孔管套措施并无区别。

与前人的研究结果进行比较，可以看到不同裹覆装置的几何参数差别比较小。

年他对三种抑制效果好的开孔管套涡激振动抑制装置进行了可视化研究[]。

结果显示，尽管不同的裹覆形式之间存在微小的不同，但是紧邻区的流线类型的主要特点是相似的，验证了前面的推断。

6．理论研究
全向裹覆减租减振方法的有效性经过实验证明比较好，一些学者开始尝试从理论上对此方法的作用机理进行分析。

1993年Molin[23]假设裹覆圆筒为均匀多孔介质，并假设在开孔套管的内外两侧均适用势流理论，尝试用势流理论探讨开孔套管圆柱内外两面的流场情况。

计算和绘制了半径比r/R=0.8，孔隙率为0.2和0.4两种情况下的流线图，不同半径比（r/R=0.5，0.6，0.7，0.8，0.9）下阻力系数对孔隙率的函数。

开孔套管上的阻力系数在孔隙率36%的计算结果与Woot ton&Yat es[9]的实验结果符合较好，内圆柱上的阻力系数符合不好；计算所得的压力系数与Zdra vk ovich[14]实验中的丝网时的结果吻合较好。

由于大部分计算结果都与实验值吻合不好，Molin得出结论，即使在其所提出的假设下，势流理论依旧不能很好的预测流动分离以及内外圆柱之间的流场，流体的粘滞作用不能忽视。

可以看出，从理论上对全向裹覆减阻减振方法的作用机理进行研究比较困难。

四、相关专利
1963年，BLENKARN[24]申请了一种立管涡激振动抑制装置的专利（见图3）。

在立管外安装一节一节的圆柱形金属穿孔板，并于1966将该专利转让于泛美石油天然气集团公司。

1996年J u等[25]申请了一种海底管道悬跨段的涡激振动抑制装置的发明专利（见图4）。

该装置由平行轴向棒条组成，每边有四根棒条为宜，棒条直径要根据水动力环境进行测算，以满足强度要求，安装方便，实用性强。

2004年艾伦和亨宁[26]申请了多孔局部管套发明专利（见图5），包括多孔局部管套、分离环及被保护的结构，分离环将套管与被保护结构联结起来。

这种多孔管套适用各种流动流体环境。

可以按照环境、结构需要被包围程度以及费用来选择不同的裹覆百分比，下限为1%，比较适宜的是45%，上限为99%，比较适宜的是55%。

孔隙率也是可以随需要而变化的，下限为1%，比较适宜的是25%，上限是99%，比较适宜的是60%。

孔形也是可以根据涡激振动抑制的实际效果而随意选择，并无局限，可以是方形、矩形等，或者他们的任意组合。

具体组合效果专利中逐一作了物理模型实验，它的显著优点是能减少阻力[19]，而且方便水下安装
并且对涡激振动具有较好的抑制效果。

图3棒条型海底管道涡激振动抑制装置
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图4棒条型海底管道涡激振动抑制装置
图5艾伦和亨宁发明多孔局部管套
五、总结
在减阻减振及涡激振动抑制措施的选取上，很难兼顾动力学性能、成本、简单性和实用性。

多数结构简单的抑制措施具有单向性特征，全向性抑制措施性能较好，但设计制造和安装成本较高，并且容易造成主管拖曳力的增加。

目前减阻减振性能较好的全向性抑制措施包括以下几种：
（1）圆形开孔管套，直径1.25D左右，孔隙率37%，开孔直径0.125D，阻力系数0.6左右；
（2）方形开孔管套，直径1.25D左右，孔隙率为20%和36%，相应孔边长0.07D和0.05D，阻力系数0.9左右，减阻、减振效果比圆孔好；
（3）轴向棒条，当直径1.08D，孔隙率90%，圆柱周围仅在+55°，+177°和180°处共5根棒条时的布置方式抑制管束流致振动非常有效，改变孔隙率大小（24%-96%）、管套与圆柱直径比（1.08、1.165、1.25、1.50）、孔隙率圆周分布（棒条数目218-4），抑振效果不等，但都有效。

（4）轴向板条，直径1.286D，28根，每根宽0.087D，“孔隙率”40%。

在雷诺数1.5×104至1.5×105范围内，阻力系数测量值几乎为常数，C
D
=1.1。

抽掉前后一定角度的板条，成为单向性装置后，在以上几种措施中具有最好的减阻减振效果。

上述研究成果大部分由风洞实验测得，少数以水为介质。

实际工程应用中，随着海洋油气资源开发，水环境内圆柱绕流减阻减振及涡激振动抑制愈加重要，全向裹覆减阻减振措施数值研究尚为空白。

随着计算机技术飞速发展，CFD技术越加成熟，针对高雷诺数的湍流模型的出现为进行高雷诺数数值实验研究提供了前提条件。

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11.
第4期王春景：城市化进程下河北省水资源状况分析及对策研究151
业GDP 增长速度以及工业用水的增长速度加以比较，可以粗略看出其中发展变化的大体趋势。

参见图3。

图3河北省城市化进程以及工业发展状况和用水量对比从图3可以看出，河北省城市化的进程同工业的发展状况都呈现出上升的趋势，但是工业经济的发展明显比城镇人口的增加幅度更大。

这一方面是工业发展向非劳动密集的方向转化，另一方面则是因为出现了更多位居农村的小型工业企业，工业出现了向农村扩散的趋势。

与工业经济迅速发展的趋势对比，工业用水并没有上升，工业用水在定基发展速度上还出现了一定的下降趋势。

而在工业用水绝对量的分析上（参见图1），也可以看出这种下降趋势，同时在剔除了社会对于水的重视程度的基础上（参见图2），即工业用水占总用水量比重的数据中也可以看出工业用水的下降趋势，这一方面需要归功于政府的水价调控，另一方面则是对于污染防治的大力度治理以及工业水重复利用的技术不断升级。

二、河北省水资源利用状况深入分析即必要对策建议通过以上分析，可以看出近年河北省城市化程度加深，并且工业虽然随着城市化程度加深而有所发展，但是也应该存在部分工业企业走向农村，以及工业向着非劳动密集型方向发展的趋势。

此外，另一个需要注意的关键在于，社会用水状态随着宣传的不断加深而有所收获，工业和生活用水并没有随着工业的发展以及城镇人口的增多而出现大幅增长。

虽然这种发展势头状况良好，但还是存在隐患，针对问题可以考虑从以下几个方面入手：
（1）农业灌溉用水方面：农业用水居高不下，如果说节
水，这是最可以压缩用水量的一个方面。

虽然这是个谁都看得到的问题，但是解决方法却常常并不合适，从而导致难以收到良好效果。

农业节水技术层出不穷，但是覆盖面却总是有限。

首先是因为面对一些投资，使得本来就并不富裕的农业部门难以筹措，其实则是农民对于改变的怀疑态度。

因此国家一方面应当加大农业节水科技的普及上，而不仅仅是科技的研发上，另一方面给予农民必要的保证，才是解除农民疑虑，普及农业科技的当务之急。

（2）工业排污问题：以上只是对于工业用水给予了一定
的考察分析，但是对于排污并没有深入讨论，这是个不能忽视的问题。

工业污水必须进一步加强管理保证无害排放，否则造成的水体以及土地污染将远远大于其对于节水的功劳。

（3）加深宣传：这是一个看似古老的论调，但是从上文分析中我们不难看出，城镇人口的增加，并没有使城镇居民生活用水的总量有所增加，对于居民生活用水在总用水量中的比重也基本没有变化。

2005~2009年间，生活用水量从23.7亿立方米降到了23.4亿立方米，总量和人均都有下降，在总用水量中的比重从11.7%上升到了12.1%，远远小于城镇人口增幅，由此可见水价调控和宣传在城镇中比较到位。

但是对于农村的用水状况而言就并不容乐观。

一贯以来粗放型的农业种植，使得农村居民节水意识普遍不高，这一点可以从居高不下的农业灌溉用水中看出。

加上他们对于未来生活缺乏保障感，更使得他们难以接受新的技术和事物。

此外，目前的宣传也更为倾向于城市，因为城市毕竟是人口密集的地区，方便宣传，加之一些企业也加入了宣传大军，所以收效良好，农村宣传本身力度不足，又缺乏必要的监督舆论，因此收效甚微。

针对这种情况，加大农村宣传力度才是节水首选。

对水资源的高效利用，是一个全社会的参与的活动，无论是宣传还是治理都不能有失偏颇。

水资源的利用是整个社会的活动，它的节约利用更是整个社会的活动，只有深入渗透到社会的每个角落，才能真正有所收获。

（上接第149页）
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