多边界条件下双自由度圆柱体自激振动试验研究

摘要

目前国际上针对圆柱体等钝状物的涡激振动展开了一系列深入研究，而自由度对圆柱体涡激振动的影响尚未得以明确阐释，相关参数如频率比、质量阻尼比以及雷诺数等对双自由度振动的影响还需系统全面地研究，双自由度下圆柱体振动幅值曲线和各相关参数的依赖关系尚需认真判定。在2011年召开的国际拖曳水池会议中，学术委员会仅对圆柱体单自由度涡激振动给出了衡量判断基准，而双自由度涡激振动与柱群涡激振动尚无权威的评判准则。本文开展多边界条件下双自由度圆柱体自由涡激振动试验研究，基于对千余种试验工况结果的分析总结，并参考国际上关于弹性支撑圆柱体涡激振动的最新研究成果，系统地探讨固有频率、质量阻尼比以及雷诺数对不同尺度圆柱体涡激振动特性的影响规律。
　　 通过调整横向与顺流向弹簧刚度，本文对固有振动频率以及固有频率比对双自由度圆柱体涡激振动幅值、振动频率、相位以及运动轨迹的影响规律进行探讨。研究发现：横向固有频率恒定时，增大顺流向系统刚度将使得圆柱体峰值振幅逐渐降低，且峰值逐渐向较高约化速度处偏移，在较大固有频率比条件下，振动幅值将体现出“双峰”响应；单自由度涡激振动作为双自由度振动中顺流向系统刚度无穷大的特例，在试验中体现出相对较小的振幅，但峰值振幅将出现在相对较低的约化速度下；顺流向与横向固有频率比对相对相位产生显著作用，进而影响圆柱体振动轨迹，增大固有频率比将导致相对相位逐渐增大，使得圆柱体振动轨迹在低约化速度下呈现出向来流上游方向偏头的趋势，且随横向固有频率值的增大，振动轨迹的转捩固有频率比降低；当系统顺流向固有频率恒定时，减小横向刚度将使得峰值振幅出现在相对更高的约化速度处，但刚度的增减对振动幅值无统一的影响规律，此规律尤其体现于低顺流向固有频率工况；同时，增减横向刚度将对相对相位产生影响，进而改变其轨迹形式，且此种影响作用在低顺流向固有频率下尤其显著，当顺流向固有频率变大时，发生运动轨迹形式转变的转捩固有频率比增高。试验发现，横向振动加速度将呈现出3阶高谐分量，预示着“2T”模式尾涡的生成，但该频率组分并未体现于其横向运动；而顺流向振动加速度与运动中则呈现出单倍于横向基频和4倍于横向基频的频率组分，运动轨迹体现出刚性支撑圆柱涡激振动中全新的“D”形，“卵”形，“雨滴”形，“畸形8”以及“子母8”字形，而区别于传统概念中的“8”字形与“新月”形。基于试验中所体现出的顺流向多重振动频率的考虑，本文提出采用“非线性内共振弹簧摆”模型对双自由度涡激振动进行描述。
　　 文中针对质量阻尼比与雷诺数对振动响应的影响的研究发现：若固有频率相同，改变系统质量阻尼比将不对振动幅值产生显著影响，且峰值振幅所对应的约化速度相同，但相比而言，低质量阻尼比情况下高振幅响应所对应的约化速度区间略大；若系统刚度相同，降低系统质量阻尼比将使得振动幅值出现在稍高的约化速度处，并伴随有较大的振动幅值，且与高质量阻尼比情况相比，低质量阻尼比条件下系统共振的范围有所扩大；雷诺数对响应分支以及峰值振幅具有显著影响，且其影响作用大于质量阻尼比，在高雷诺数范围振动响应将体现出典型的三响应分支，并伴随较大的峰值振幅和较宽的上端分支区域；雷诺数的降低将导致峰值振幅逐渐降低且峰值出现时刻提前，上端分支逐渐消失，振动响应仅体现为初始分支和下端分支。
　　 通过对典型试验工况的分析探讨以及不同边界条件影响规律的总结，本文研究成果可为进一步深入开展圆柱体涡激振理论与试验研究提供参考。