圓柱渦致振動控制的實(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@一簡單模型包含了許多流體流動中出現(xiàn)的復(fù)雜過程，如流動的分離、脫渦、湍流等。當(dāng)流體流過圓柱體時，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。這種渦致振動不僅會對流動的脫渦過程產(chǎn)生影響，而且可能對固體結(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，這種破壞更為嚴(yán)重。 為

2、了研究渦致振動帶來的影響并減小渦致振動帶來的危害，許多研究者對渦致振動與渦致振動控制展開研究。渦致振動控制的方法很多，一般可以分為被動控制法與主動控制法。但這些方法大多通過大范圍改變流場或者需要消耗比較大的能量來實(shí)現(xiàn)，這限制了它們在工程領(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控制方法，對單圓柱與并列雙圓柱繞流的渦致振動進(jìn)行了控制。該方法通過流動控制的方法用微小致動器在流動關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行擾動，影響流固系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，來控制圓

3、柱的渦致振動。 我們知道，在分離點(diǎn)附近流動的失穩(wěn)可以迅速被放大，所以在這些區(qū)域進(jìn)行流動控制是最有效的。而通過控制流動分離來控制渦致振動也是最經(jīng)濟(jì)最有效的手段。流場中很小的擾動也有可能導(dǎo)致流動發(fā)生變化，這為通過小尺寸擾動控制大尺寸結(jié)構(gòu)的渦致振動提供可能。本課題研究中，我們將在圓柱繞流的分離區(qū)采用周期性激勵來影響流體流動，進(jìn)而抑制渦致振動。 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系統(tǒng)的振動模型，并推導(dǎo)出振動微分方

4、程與振動固有頻率。然后我們分析了渦致振動控制所需要的理論振幅。 實(shí)驗(yàn)首先采用了最簡便的聲激勵作為致動器來控制圓柱渦致振動。聲激勵實(shí)驗(yàn)控制裝置加工簡單，安裝方便，因此被用來檢驗(yàn)控制的可行性，并初步確立控制各參數(shù)。當(dāng)用來導(dǎo)出內(nèi)置聲激勵的狹縫尺寸為0.29mm×2mm時，聲激勵對渦致振動控制沒有太大的效果，而當(dāng)狹縫長度增加到10mm時，圓柱渦致振動開始下降。這說明擾動的范圍必須超過一定尺度，致動器對流動控制才能影響渦致振動。實(shí)驗(yàn)表明，

5、有效激勵位置在分離區(qū)附近，有效激勵頻率在剪應(yīng)區(qū)不穩(wěn)定頻率及其倍頻附近的一個很廣的范圍內(nèi)。當(dāng)激勵頻率在不穩(wěn)定頻率倍頻時，控制效果達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)流體流過一對并列的圓柱，流體流動方式與聲激勵的控制效果與二者之間的相對間距(中心距與直徑比值)有很大關(guān)系。在相對間距為1.2時，聲激勵同時在對稱的分離區(qū)進(jìn)行擾動。結(jié)果顯示控制效果相對單圓柱單激勵更加優(yōu)秀。隨著相對間距增加，控制效果減弱。 盡管聲激勵作為實(shí)驗(yàn)擾動源十分方便，但是聲激勵同時會引入額

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)下對其進(jìn)行控制的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓電致動器各參數(shù)按照聲激勵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化配置時，單圓柱的渦致振動也可以被抑制。并且這種控制在相對間距為1.2的并列雙圓柱控制中更加有效。證明在流動對稱分離區(qū)兩側(cè)的同時擾動可以更加有效減小渦致振動。當(dāng)相對間距為1.8時，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)相對間距為3.0時，兩個圓柱的相互影響減弱，渦致振動控制與單圓柱控制類似。 對圓柱振動速度與尾流中流體波動速度測量發(fā)現(xiàn)致動器影響了二者之間的相位關(guān)系。當(dāng)沒有致動器擾動時，兩信號之間同相波動；當(dāng)有致動器擾動時，兩信號在同相與反相之間跳動，渦致振動的幅值受到抑制。對流場速度矢量分布的測量顯示流動脫渦強(qiáng)度有所減小。這顯示壓電致動器的微小擾動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。致動器