圆柱涡致振动控制的实验研究

论文摘要

圆柱绕流在自然界是一种非常普遍的现象。在流体力学研究中,圆柱绕流也是使用最为普遍的模型之一。因为这一简单模型包含了许多流体流动中出现的复杂过程,如流动的分离、脱涡、湍流等。当流体流过圆柱体时,旋涡从圆柱体两侧交替脱落,并在尾流中形成卡门涡街。交替的脱涡导致圆柱体受到交替的作用力,使得圆柱产生振动。这种涡致振动不仅会对流动的脱涡过程产生影响,而且可能对固体结构造成损坏。尤其是当脱涡的频率与结构固有频率一致时,这种破坏更为严重。为了研究涡致振动带来的影响并减小涡致振动带来的危害,许多研究者对涡致振动与涡致振动控制展开研究。涡致振动控制的方法很多,一般可以分为被动控制法与主动控制法。但这些方法大多通过大范围改变流场或者需要消耗比较大的能量来实现,这限制了它们在工程领域的应用范围。在本文研究中,我们提出了一种新的主动控制方法,对单圆柱与并列双圆柱绕流的涡致振动进行了控制。该方法通过流动控制的方法用微小致动器在流动关键区域进行扰动,影响流固系统之间的耦合关系,来控制圆柱的涡致振动。我们知道,在分离点附近流动的失稳可以迅速被放大,所以在这些区域进行流动控制是最有效的。而通过控制流动分离来控制涡致振动也是最经济最有效的手段。流场中很小的扰动也有可能导致流动发生变化,这为通过小尺寸扰动控制大尺寸结构的涡致振动提供可能。本课题研究中,我们将在圆柱绕流的分离区采用周期性激励来影响流体流动,进而抑制涡致振动。为了方便实验的设计,我们首先建立了典型圆柱涡致振动系统的振动模型,并推导出振动微分方程与振动固有频率。然后我们分析了涡致振动控制所需要的理论振幅。实验首先采用了最简便的声激励作为致动器来控制圆柱涡致振动。声激励实验控制装置加工简单,安装方便,因此被用来检验控制的可行性,并初步确立控制各参数。当用来导出内置声激励的狭缝尺寸为0.2mm×2mm时,声激励对涡致振动控制没有太大的效果,而当狭缝长度增加到10mm时,圆柱涡致振动开始下降。这说明扰动的范围必须超过一定尺度,致动器对流动控制才能影响涡致振动。实验表明,有效激励位置在分离区附近,有效激励频率在剪应区不稳定频率及其倍频附近的一个很广的范围内。当激励频率在不稳定频率倍频时,控制效果达到最优。当流体流过一对并列的圆柱,流体流动方式与声激励的控制效果与二者之间的相对间距(中心距与直径比值)有很大关系。在相对间距为1.2时,声激励同时在对称的分离区进行扰动。结果显示控制效果相对单圆柱单激励更加优秀。随着相对间距增加,控制效果减弱。尽管声激励作为实验扰动源十分方便,但是声激励同时会引入额外噪声,并且能量损失很大,不适合实际的应用。因此,我们采用一种压电陶瓷材料的悬臂梁作为新的致动器,并根据模型计算设计了弹性支撑的实验装置。在圆柱处于共振状态下对其进行控制的实验表明,当压电致动器各参数按照声激励实验进行参数优化配置时,单圆柱的涡致振动也可以被抑制。并且这种控制在相对间距为1.2的并列双圆柱控制中更加有效。证明在流动对称分离区两侧的同时扰动可以更加有效减小涡致振动。当相对间距为1.8时,由于两圆柱的双频脱涡产生,使得控制效果不明显。当相对间距为3.0时,两个圆柱的相互影响减弱,涡致振动控制与单圆柱控制类似。对圆柱振动速度与尾流中流体波动速度测量发现致动器影响了二者之间的相位关系。当没有致动器扰动时,两信号之间同相波动;当有致动器扰动时,两信号在同相与反相之间跳动,涡致振动的幅值受到抑制。对流场速度矢量分布的测量显示流动脱涡强度有所减小。这显示压电致动器的微小扰动影响了流固之间的耦合关系,削弱了脱涡强度,从而抑制了圆柱的涡致振动。致动器的振幅与壁面粘性单元尺度相当,但输入能量比所节省的能量至少小一个数量级。在实验中,我们还发现了一种涡致振动的被动控制方法。通过细微调整双圆柱的空间位置,使得两圆柱在小间距条件下产生一定的异面角度,流动的脱涡与圆柱的涡致振动都可以被大幅度抑制。实验测量了这种被动控制方式的有效异面角度、有效雷诺数范围以及控制效果。对两刚性圆柱的实验也证实了相似的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 圆柱绕流与圆柱结构的涡致振动
• 1.2 涡致振动控制的方法与分类
• 1.3 流动控制的主要研究历程
• 1.4 本课题研究目的、方法以及各章节内容安排
• 第2章 涡致振动的结构模型与参数计算
• 2.1 涡致振动模型
• 2.1.1 单自由度刚性圆柱体模型
• 2.1.2 两端固支的柔性梁模型
• 2.1.3 多自由度刚性圆柱体振动模型
• 2.2 致动器尺度分析
• 2.2.1 致动器扰动幅度
• 2.2.2 致动器扰动范围
• 2.3 小结
• 第3章 基于声发生器的振动控制分析
• 3.1 实验装置介绍
• 3.1.1 实验风洞与圆柱体
• 3.1.2 声致动器
• 3.1.3 实验测量仪器
• 3.2 声发生器对单圆柱绕流的控制
• 3.3 声发生器对双圆柱绕流的控制
• 3.3.1 T/D=1.2
• 3.3.2 T/D=1.5
• 3.3.3 T/D=3.0
• 3.4 小结
• 第4章 基于压电微致动器的振动控制分析
• 4.1 压电微致动器及其特性
• 4.2 对单圆柱的振动控制分析
• 4.2.1 单弹簧支撑式
• 4.2.2 三点支撑式
• 4.3 对双圆柱的振动控制分析
• 4.3.1 T/D=1.2
• 4.3.2 T/D=1.8
• 4.3.3 T/D=3.0
• 4.4 小结
• 第5章 涡致振动的被动控制
• 5.1 被动控制的产生
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 异面角对控制效果的影响
• 5.2.2 雷诺数对控制效果的影响
• 5.3 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 论文创新之处
• 6.3 论文不足之处与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果