单自由度多柱体流致振动试验研究

摘要

流致振动广泛存在于海洋工程、航空工程、高耸建筑和大跨桥梁等工程领域中。流致振动既能够引起破坏性的振动事故，也可以造福于人类。涡激振动水生清洁能源系统（VIVACE）将圆柱涡激振动与能源利用相结合，使这种潜在的破坏性现象得到了有效的利用。本文以 VIVACE阵列海流能利用为工程背景，在水槽中开展了一系列单自由度多柱体的流致振动试验，所做的工作及取得的主要成果如下：
　　（1）针对不同端部条件的圆柱体开展流致振动试验，揭示了不同端部条件圆柱体的振动特性，发现试验振子附接端板比未附接端板拥有更高的峰值幅度，在幅度响应曲线图体现为上端分支明显偏高；附接端板的试验振子中，端板截面形状不同对试验振子的流激振动影响不显著；附接端板截面尺寸过大或者过小均会影响试验振子的振幅比A*。
　　（2）首次研究了间距比和雷诺数Re对单自由度串列双圆柱流致振动特性的影响，发现随双圆柱中心间距比的增大，试验振子的振动特性大致分三种情形：L/D=1时，在试验Re范围内串列双圆柱产生较小幅度的振动；L/D=2时，串列双圆柱的振幅比A*在VIV上端分支初始段有陡降的现象，其后随着雷诺数的增大振幅持续增大同时频率开始下降，但测试范围内并未出现显著的驰振特征；L/D=3～5时，随间距比L/D的增加，上游圆柱脱涡对下游圆柱的影响减弱，更多的突显单圆柱的“自限制”涡激振动特点。
　　（3）研究了间距比和雷诺数Re对上游圆柱固定下游圆柱横向流致振动特性的影响，发现随间距比L/D的增加，下游圆柱体的峰值幅度逐渐降低，且相比于单圆柱各间距比下游圆柱到达上端分支所对应的起始流速变大，同时对应最高振幅比A*处流速也相应变大。
　　（4）研究了间距比和雷诺数Re对下游圆柱固定上游圆柱横向流致振动特性的影响，发现随间距比L/D的增加，上游圆柱体的峰值幅度逐渐降低，同时伴随着上端分支所在Re区间的束窄现象。
　　（5）研究了间距比和雷诺数Re对单自由度并列双圆柱流致振动特性的影响，发现间距比T/D对并列双圆柱流激振动特性影响比较大，当间距比T/D=1.0时，并列双圆柱表现为一个特征宽度为2D的单一钝体，相应的振幅比A*较高，而间距比 T/D=2.0时，并列双圆柱的振动特性受相互间影响比较大，相应的振幅比A*较单圆柱低。
　　综上所述，本文对单自由度的多圆柱流致振动问题进行了试验研究，总结了不同排列方式下多圆柱的流动特性和振动响应，探索并改善多柱体的流致振动进而提高了VIVACE装置的能量利用率。

目录

声明

第1章 研究现状

1.1 研究背景

1.2 单柱体流致振动研究现状

1.3 多柱体绕流及流致振动研究方法

1.4 流致振动水生清洁能源系统

1.5 本文研究内容

第2章 物理数学模型及试验设备概述

2.1 理论基础

2.2 试验装置及振子模型

2.3 小结

第3章 端部条件不同柱体的流致振动试验研究

3.1 试验装置与振子模型参数

3.2 试验结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 单自由度串列双圆柱流致振动试验研究

4.1 串列双圆柱绕流研究现状与试验装置

4.2 试验结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 串列双圆柱一圆柱固定一圆柱流致振动试验研究

5.1 双圆柱试验装置与模型参数

5.2 试验结果与讨论

5.3 本章小结

第6章 单自由度并列双圆柱流致振动试验研究

6.1并列双圆柱绕流研究现状与试验装置

6.2 试验结果与讨论

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢