一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置

摘要

本发明提供一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置。它是由真空泵、气泵、储气罐、电磁换向阀、真空过滤器、精密减压阀、真空减压阀、吹吸气气流主管道、流量计、节流阀组成的，储气罐分别连接甲球阀、乙球阀和电磁换向阀，电磁换向阀分别连接真空过滤器和普通过滤器，真空过滤器连接真空减压阀，真空减压阀连接吸气气流主管道。本发明利用吸/吹气气流控制结构在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置，设计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流风速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，本发明改善结构风致特性，提高结构风致稳定性，用于超高层建筑、大跨桥梁、海洋工程结构等多种模型的风洞试验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及工程结构空气动力学测试方法，具体说就是一种结构 绕流场吸/吹气控制方法及其装置

背景技术

工程结构在风作用下可能发生静风失稳和颤振、驰振、抖振和涡 激振动，其中颤振和驰振会造成结构的毁灭性破坏，抖振会导致结构 局部疲劳，涡激振动容易造成结构的疲劳破坏。随着轻质高强材料的 发展以及结构计算能力的增强，工程结构向着大跨径、轻型化和柔性 化的趋势发展，与此同时结构刚度和阻尼降低，对风荷载作用的敏感 程度逐渐增大，风荷载以及风致稳定性成为影响结构安全的控制因素 之一，特别是具有危险自激发散特性的风致颤振问题更加突出。结构 抗风设计，就是减小结构的风致响应，降低过大变形，特别是要避免 颤振和驰振的发生，同时尽量把抖振和涡振的振幅限制在允许的范围 内。从抗风针对对象角度分类，超过限度的风致作用的抗风研究包括 基于结构响应控制的抗风措施和基于结构断面绕流控制的抗风措施。 这些措施的实施通常从三个方面考虑，即提高结构的整体刚度特别是 扭转刚度、增大结构阻尼和改善断面的气动性能。然而，提高结构的 整体刚度和增大结构阻尼将需要巨大的能量，维护困难，价格昂贵， 而通过引入各种措施来改变作用在结构断面上的气动力将产生很好 的气动效果。改变结构断面气动外型对于改善空气动力特性进而提高 大跨结构的抗风能力是一种经济有效的方法，优化结构断面的气动特 性实际上是改变了结构断面绕流流体边界层结构。目前，优化结构断 面气动特性的方法大多是被动地改变断面绕流流体边界层结构，是间 接地改善绕流品质的方式。利用主动供能方式直接地改善结构绕流边 界层进而提高结构抗风能力的研究，在国际上刚刚起步。吸(吹)气 就是一种改善结构绕流边界层结构的主动控制方式，对于吸(吹)气 最早的研究开始于航天领域，而在结构风工程领域，利用吸气方法提 高结构抗风能力的研究还处于近乎空白的状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装 置。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种结构绕流场吸/吹气控 制装置，它是由真空泵、甲球阀、乙球阀、气泵、储气罐、电磁换向 阀、真空过滤器、普通过滤器、精密减压阀、真空减压阀、吹气气流 主管道、吸气气流主管道、吸气支管、吸/吹气端口、流量计、节流 阀、吹气气流主管道和吹气支管组成的，真空泵连接甲球阀，气泵连 接乙球阀，储气罐分别连接甲球阀、乙球阀和电磁换向阀，电磁换向 阀分别连接真空过滤器和普通过滤器，真空过滤器连接真空减压阀， 真空减压阀连接吸气气流主管道，吸气气流主管道连接流量计，流量 计连接节流阀，节流阀连接吸气支管吸气支管连接吸/吹气端口，普 通过滤器连接精密减压阀，精密减压阀连接吹气气流主管道，吹气气 流主管道连接吹气支管。

本发明一种结构绕流场吸/吹气控制方法，利用吸/吹气气流控制 结构在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置， 设计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流 风速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，步骤如下：

步骤一：在结构上布置吸/吹气端口，在结构断面来流方向布置 风速传感器。

步骤二：利用风速传感器实时监测结构断面前方来流风速信息；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风 速进行对比，当来流风速达到预设来流风速的最小值时，控制动力装 置开启吹/吸气端口，并通过来流风速与预设来流风速的实时比对， 控制动力装置调整吹/吸气端口的流量，当来流风速低于预设风速的 最小值时，控制动力装置关闭吹/吸气端口；

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时，重复步 骤三。

本发明在结构上布置吸/吹气端口和结构断面绕流特性监测传感 器，通过传感器感知风速和结构断面绕流状态，该监测数据通过反馈 系统处理后发出指令控制吸/吹气系统的动力装置开启或关闭。本发 明提供一种结构壁面绕流场主动控制技术，将吸/吹气边界层控制技 术引进土木工程领域，改善结构风致特性，提高结构风致稳定性； 采用实时监控反馈系统，能够精确快捷的进行结构断面绕流边界层的 控制；本发明一种结构绕流场吸/吹气控制方法可用于超高层建筑、 大跨桥梁、高耸结构、海洋工程结构等多种模型的风洞试验研究，具 有广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的结构绕流场吸/吹气控制装置示意图；

图2为本发明的拉索结构涡激振动控制实验装置示意图；

图3为图2中拉索的横截面示意图；

图4为本发明的实验设计的预设来流风速与不同吸/吹气装置流 速控制效果关系图；

图5为本发明的拉索结构涡激振动振幅控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种结构绕流场吸/吹气控制装置， 它是由真空泵(1)、甲球阀(2)、气泵(12)、乙球阀(17)、储气罐 (3)、电磁换向阀(4)、真空过滤器(5)、普通过滤器(13)、精密 减压阀(14)、真空减压阀(6)、吹气气流主管道(15)、吸气气流主 管道(7)、吸气支管(10)、吸/吹气端口(11)、流量计(8)、节流 阀(9)、吹气气流主管道(15)和吹气支管(16)组成的，真空泵(1) 连接甲球阀(2)，气泵(12)连接乙球阀(17)，储气罐(3)分别连 接甲球阀(2)、乙球阀(17)和电磁换向阀(4)，电磁换向阀(4) 分别连接真空过滤器(5)和普通过滤器(13)，真空过滤器(5)连 接真空减压阀(6)，真空减压阀(6)连接吸气气流主管道(7)，吸 气气流主管道(7)连接流量计(8)，流量计(8)连接节流阀(9)， 节流阀(9)连接吸气支管(10)吸气支管(10)连接吸/吹气端口(11)， 普通过滤器(13)连接精密减压阀(14)，精密减压阀(14)连接吹 气气流主管道(15)，吹气气流主管道(15)连接吹气支管(16)。

本发明结构绕流场吸/吹气控制方法，利用吸/吹气气流控制结构 在自然界来流风场下的作用效应，预先设计与布设吸/吹气装置，设 计预设来流风速与吸/吹气装置流量关系，通过比对监测到的来流风 速与预设来流风速，控制吸/吹气装置流量，步骤如下：

步骤一：在结构上布置吸/吹气端口，在结构断面来流方向布置 风速传感器；

步骤二：利用风速传感器实时监测结构断面前方来流风速信息；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风 速进行对比，当来流风速达到预设来流风速的最小值时，控制动力装 置开启吹/吸气端口，并通过来流风速与预设来流风速的实时比对， 控制动力装置调整吹/吸气端口的流量，当来流风速低于预设风速的 最小值时，控制动力装置关闭吹/吸气端口；

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时，重复步 骤三。

实施例2：结合图1，本发明所述的结构绕流场吸/吹气控制方法 是通过外部供能进行结构断面气流流动主动控制，从而改善结构气动 特性的一种新技术。本发明通过一种结构绕流场吸/吹气控制装置来 实现。利用微型传感器实时在线监测结构断面绕流特性和风速，反馈 系统根据测得信息分析处理后发出指令，控制结构绕流场吸/吹气控 制装置的动力装置开启或者关闭，同时各种控制装置调节动力装置提 供的能量大小。结构绕流场吸/吹气控制装置的气流端口通常布置在 结构底部靠近来流风一侧。

结构绕流场吸/吹气控制装置的气动部分由动力装置、控制装置 和气流管道组成。动力装置包括真空泵(1)、储气罐(3)、电磁换向 阀(4)、真空过滤器(5)、气泵(12)和普通过滤器(13)；控制装 置包括由真空减压阀(6)和精密减压阀(14)组成的压力控制装置 以及由流量计(8)和节流阀(9)组成的速度调节装置；气流管道包 括吸气气流主管道(7)、吸气支管(10)、吹气气流主管道(15)、吹 气支管(16)和吸吹气端口(11)。

结构绕流场吸/吹气控制装置的工作原理如图1所示，当该装置 进行吸气时，首先接通电磁换向阀a和b的电源，且电磁换向阀c处 于未通电状态，然后打开与真空泵(1)相连的甲球阀(2)，启动真 空泵(1)，在装置的管道内产生负压，同时调节真空减压阀(6)，使 真空减压阀(6)和吸吹气端口(11)之间的管道内负压稳定在一定 的大小。在负压作用下，结构断面处的空气经由吸吹气端口(11)被 吸入吸气支管(10)，被吸入的气流从电磁换向阀c的R口流入，A 口流出，然后流入节流阀(9)，通过节流阀(9)的流量调节，吸(吹) 气端口(11)处的气流速度达到试验要求，此时的气体流量在气流流 经流量计(8)时显示出来。吸气气流流过流量计(8)之后从电磁换 向阀b的A口流入，P口流出，流入吸气气流主管道(7)。各吸气支 管(10)内的气流汇聚到吸气气流主管道(7)后，依次流过真空减 压阀(6)和真空过滤器(5)，过滤后的洁净气体从电磁换向阀a的 A口流入，P口流出，经过储气罐(3)流入真空泵(1)，最后由真 空泵的排气口排入大气中。

当该装置进行吹气时，首先切断电磁换向阀a和b的电源，同时 接通电磁换向阀c的电源，使得电磁换向阀换向，从而改变管道的连 接位置，然后打开与气泵(12)相连的乙球阀，并启动气泵(12)， 由气泵上的空气压缩机产生高压空气，高压空气经过储气罐(3)后， 从电磁换向阀a的R口流入，A口流出，流入普通过滤器(13)，经 过过滤的洁净压缩空气流入精密减压阀(14)，经过减压之后进入吹 气气流主管道(15)，再分别流入各吹气支管(16)。吹气支管(16) 内的压缩空气从电磁换向阀c的P口流入，A口流出，流过节流阀(9) 从而进入流量计(8)，经过节流阀调定的气体流量在流量计(8)中 显示，且吸(吹)气端口处的气体流速被调定。此时，由于电磁换向 阀c的作用，使得压缩空气的流动方向与吸气时吸气气流的流动方向 相同，从而使只能单向流过气体的流量计(8)可以不必更换安装方 向而直接使用。流过流量计(8)的压缩空气从电磁换向阀b的A口 流入，R口流出，然后从吸(吹)气端口流出。

实施例3：结合图2、图3、图4、图5，利用结构绕流场吸/吹气 控制方法完成拉索结构涡激振动控制实验。在自由振动装置上的拉索 结构如图2所示。图3为拉索横截面，图中，吸气孔与水平轴夹角为 θ，拉索前端来流风速为U。通过预先设计，给定吸气孔位置为θ＝135 °，预设来流风速与吸/吹气装置流速关系如图4所示。图4中，横 坐标为来流风速，纵坐标为拉索结构振动加速度均方差值，U_q为吹/ 吸气装置流速，从图4中可以看出，预设来流风速的最小值为5m/s， 当U_q为7.17m/s时，吸气方法对拉索结构涡激振动的控制效果最好。 对拉索结构涡激振动控制的实验步骤如下：

步骤一：在θ＝135°的位置布设吸/吹气端口，在拉索结构来流方 向布置Young公司的Model81000型超声风速传感器；

步骤二：利用Model81000型超声风速传感器实时监测结构断面 前方来流风速风速；

步骤三：利用实时采集到的断面前方来流风速与若干预设来流风 速进行对比，根据图4中的设计曲线，当Model81000型超声风速传 感器监测到的风速达到预设来流风速的最小值5m/s时，控制动力装 置开启吹/吸气端口，根据图4中的设计最优吸气流速，设定吸/吹气 装置流速为7.17m/s。在该吸/吹气作用下和无吸/吹气作用下的拉索结 构振动位移时程如图5所示，可见，在该吸/吹气作用下拉索结构的 涡激振动振幅大大降低。当来流风速低于5m/s时，控制动力装置关 闭吹/吸气端口。

步骤四：当来流风速再次达到预设来流风速的最小值时5m/s， 重复步骤三。

从上述实验可以看出，本发明的结构绕流场吸/吹气控制方法可 以很好地控制拉索结构的涡激振动，是一种有效地结构风致绕流作用 控制方法。