正方形截面振子在不同来流方向的单自由度流致振动特性研究

在自循环水槽进行了正方形截面振子的流致振动试验研究,分析了不同来流角度下的振子响应特征,探讨了有利于能量转换的角度安排,阐释了系统刚度与质量因素对该响应的基本影响,并拟合得到了不同来流角度下的斯特罗哈尔数St。结果表明:来流角度为零条件下的振子响应为驰振主导,而来流角度非零条件下的振子响应为涡激振动主导;低流速时,来流角度大有助于振子对涡激振动能量的汲取,而高流速时,来流角度为零有助于振子对驰振能量的汲取;振动振幅受刚度与质量的影响显著,但频率则几乎不受刚度与质量的影响;来流角度为30°和45°时,St较接近,约0.14,来流角度为15°时,St约0.16。     

正三棱柱流致振动试验研究

以典型的圆柱流致振动为参照,进行了水中弹性支撑正三棱柱在不同刚度下的流致振动试验,系统阐述了正三棱柱的振幅与主频变化特性、频谱特征及尾流模式,并揭示了系统刚度对振动响应的影响。试验结果表明,有别于圆柱"自限制"的三个响应区间,正三棱柱的流致振动响应区间分别为:涡激振动分支,涡振-驰振转变分支及驰振分支。随折合流速增大,三棱柱的振动响应并未出现抑制现象。涡激-驰振转变分支中,振幅突增和频率突降,体现了由涡振向驰振的转变趋势;涡激振动上端分支和驰振分支中,柱体振动存在"锁频"现象。系统刚度的变化会造成相同折合流速下正三棱柱尾流模式的差异,进而影响振幅和频率响应。正三棱柱最大响应振幅比为2.11,大于现有圆柱试验的最大响应振幅比1.90。相比于圆柱,正三棱柱更有利于低速水流能的开发利用。     

桥梁吊杆典型风致振动幅值响应质量阻尼效应研究

涡激共振与准定常驰振临界风速相近时,矩形杆件易发一种涡振与驰振耦合风致振动,区别于锁定区间涡振和发散性驰振,是一类响应幅值随风速的增加而线性增长的"软驰振"现象,质量、阻尼是影响耦合程度和估算幅值的关键参数。基于一组宽高比1.2∶1矩形截面杆件节段模型,通过调整模型系统等效刚度、等效质量和阻尼比,实现了Reynolds数一致情况下,相同质量不同阻尼比、相同阻尼比不同质量以及相同Scruton数不同质量、阻尼组合下风振响应对比试验研究。研究表明:耦合状态下,组成Scruton数的质量、阻尼参数对"软驰振"幅值响应的影响是独立的,权重相同;存在影响"软驰振"幅值响应Scruton数"锁定区间(12.4～30.6)","锁定区间"内,无量纲风速-幅值响应曲线线性斜率(Slope)不随Scruton数变化而变化,并存在一个使风致振动由耦合状态转变为非耦合状态的Scruton数"过渡区间(26.8～30.6)";修正了"软驰振"响应幅值估算经验公式,可用于类似工程杆件设计风速范围内的幅值预测。     

不同截面参数H型吊杆的气动性能

该文通过节段模型风洞试验,以7个不同截面参数的H型吊杆为对象,系统研究了翼板开孔和截面高宽比两参数分别对H型吊杆的颤振、驰振和涡振性能的影响。试验结果表明:高宽比H/B =0.417时,增大翼板开孔可明显提高H型吊杆弱轴向驰振临界风速,同时也会改善吊杆的涡振稳定性,但对扭转颤振和强轴向驰振性能无明显作用;增大高宽比可同时提高H型吊杆弱轴向和强轴向的驰振临界风速,也可显著的影响颤振和涡振特性。总的看来,增大高宽比较翼板开孔能更好的提升H型吊杆风振稳定性。     

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响EI北大核心CSCD

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。     

D形断面柱体驰振耦合气动力特性试验研究

覆冰导线驰振耦合气动力特性的研究是解释驰振机理的主要手段,也是开发气动抑振措施的主要依据。以常被作为模拟导线覆冰形状的D形断面为研究对象,采用静态气动力、驰振响应及耦合气动力测试风洞试验,研究分析了D形断面柱体的静态气动力特性,基于准定常假设的单自由度横风向驰振理论预测了驰振发生的风向角及临界风速,通过驰振响应及动态气动力分析,揭示D形断面驰振的气动力变化过程。结果表明:D形断面在来流与其直线侧夹角为40°左右时易发生横风向大幅振动;振动是由气流的分离状态随风向角变化引起的,其响应的主要气动力贡献也来自分离点后的尾流区域。这种对分离点的敏感表明,通过控制气流的分离点可以提供有效的抑制驰振措施。     

Scruton数对小宽高比H型断面典型攻角风致振动的影响

驰振是一种易发于细长钝体构件的横风向气动失稳现象，质量阻尼参数是影响结构驰振特性的关键参数之一。为探究质量阻尼参数对小宽高比H型断面驰振的影响规律，本研究以曾家岩嘉陵江大桥H型吊杆为工程背景，针对宽高比B/D=1.91的H型断面进行节段模型风洞试验，得到典型风攻角下驰振响应特征，并分别研究了质量、阻尼参数变化所引起的Scruton数变化对大攻角驰振响应的影响规律，探讨了Scruton作为单一参数描述质量阻尼参数影响的可行性。试验结果表明：宽高比B/D=1.91的H型截面在风攻角0°和70°出现非定常大振幅驰振，当Scruton数增大，70°攻角的驰振振幅-风速曲线变化较0°攻角更显著；攻角0°和70°下的驰振临界风速均低于准定常理论值，采用经典准定常理论预测结果偏于危险，0°攻角相较70°攻角的起振风速更低，更容易发生风致振动，并且非定常驰振现象显著；阻尼比和质量比对不同风攻角下驰振的影响不同，在风攻角0°下，两者可近似由Scruton数统一表示，但在大攻角70°下，不能简单地由Scruton数表示。     

高雷诺数范围内不同形状柱体流致振动特性研究

流致振动是自然界和工程领域中普遍存在的一种流固耦合现象,其流固耦合过程非常复杂,涉及许多科学上的难题,一直是国际前沿研究热点之一。针对不同截面形状柱体的流致振动进行数值计算,研究高雷诺数范围内(30 000≤Re≤110 000)柱体流致振动特性,分析柱体振幅、频率和尾迹旋涡形态。结果表明,粗糙表面圆柱和类梯形柱Ⅰ的的流致振动响应强于其他形状柱体,最大振幅达到3.5D。圆柱、方柱、三角柱和类梯形柱Ⅰ的流致振动随来流速度变化均观察到明显的涡致振动初始分支、上部分支和驰振。类梯形柱Ⅱ出现高频低幅振动,未观察到明显的振动分支。另外,柱体流致振动振幅和频率与尾迹旋涡形态紧密相关,在不同的振动分支,尾迹呈现出不同的旋涡形态。     

带状附加物放置角度对流致振动与振子俘能特性影响研究

流致振动普遍存在于工程领域与自然界,由于复杂性和多学科交叉的特点,流致振动一直是学界研究热点之一,利用被动湍流控制(passive turbulence control, PTC)来增强流致振动的俘能技术更是受到了广泛关注。该文章在光滑圆柱上放置不同角度的对称带状方形附加物,试验得到了振子的振幅、振动频率、输出功率、能量转换效率和振子升力系数,进一步揭示了被动湍流控制增强流致振动的机理。研究结果表明：PTC圆柱振子的最大振幅为2.0D,是光滑圆柱振子最大振幅的5倍;最大输出功率达0.44 W,是光滑圆柱振子最大输出功率的14倍。这说明合理的配置附加物的放置角度,可以使振子的振动由涡激振动(vortex-induce vibration, VIV)发展为驰振,同时获得较高的输出功率和能量转换效率,为利用流致振动进行能量转换和收集提供了必要的理论指导和技术支撑。     

大长细比钝体构件涡激共振与驰振的耦合研究

当细长结构的驰振临界风速位于涡激共振风速锁定区间内或者接近时,存在涡激共振与驰振两种不同类型风振现象耦合的可能。该文对这两种振动耦合进行了理论推导并建立了相关的耦合振动预测模型;根据3个大长细比钝体构件的工程实例,通过数值模拟和风洞试验等手段获得的相关风振参数分别估算了两类振动的临界风速与锁定区间。由风洞试验测得的构件实际振动曲线与预测模型吻合良好,从而证实了一定条件下构件涡激共振和驰振存在耦合的可能,定性地说明了在两种不同振动机理下产生的气动负阻尼会相互叠加并共同抵消结构机械阻尼,使涡激共振幅值增大,驰振临界风速提前。     

高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动试验研究

通过试验研究了高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动,分析与探讨了刚度、间距比对各个圆柱振幅响应、频率响应、位移频谱的影响,并与串列粗糙双圆柱的结果进行对比,揭示了干扰圆柱数量的增加对受扰圆柱流致振动的影响规律。研究结果表明：在初始分支,上游圆柱对下游圆柱有强烈的屏蔽作用,而在上端分支,出现下游圆柱振幅超过上游圆柱的现象;在上端分支和过渡区域,低刚度条件下,下游圆柱干扰数量的增加可以明显降低上游圆柱的振动频率;在涡激振动区域,下游干扰圆柱数量的增加几乎不影响上游圆柱的振幅;在驰振区域,上游圆柱干扰数量的增加降低了下游圆柱的振幅,并随着刚度的增加对下游圆柱振幅的降低程度下降;间距比对串列粗糙三圆柱的流致振动响应具有显著影响。     

大跨度缆索承重桥并列索尾流激振研究

近距离并列索(并列吊索和并列斜拉索)在大跨度缆索承重桥中应用广泛,下游索常会发生尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振等尾流激振。以间距为4 D(D为圆柱直径)的串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象,在风攻角为0°~20°的条件下,主要通过风洞试验研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹,研究了提高结构阻尼比的减振效果,讨论了尾流驰振的雷诺数效应,结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。研究表明:在某些风攻角下,下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅;在0°以外的其他风攻角下,下游圆柱均发生大幅尾流驰振,但小攻角(5°和10°)与大攻角(20°)下的尾流驰振现象有明显差别,很可能存在不同的流场激励机理;风攻角为15°时,下游圆柱的尾流驰振有明显的雷诺数效应,其动力响应特性与经典驰振不同,下游圆柱起振后的振幅和运动轨迹随雷诺数(风速)的增大呈现复杂的变化形态;提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振,但对尾流驰振的减振效果不佳。     

近自由表面海流能发电装置VIVACE流激振动的实验研究

实验研究了大雷诺数、小质量比、近自由水面的弹性支撑刚性圆柱流激振动,利用了低湍流度的循环水槽施加不同来流条件,以虚拟弹簧阻尼系统(Vck)测量圆柱的流激振动幅值和频率。研究结果表明:约化速度由低到高,近自由表面处采用被动湍流控制技术(PTC)的圆柱流激振动可分为三个典型区域,分别为涡激振动区、涡激振动向驰振转化区和驰振区;涡激振动发生时,自由表面效应对光滑圆柱涡激振动以及PTC圆柱的流激振动影响不明显;驰振发生时,较大的约化速度对应较高弗劳德数,自由表面对弹性支撑刚性PTC圆柱的流激振动影响逐渐显著。研究成果可为海流能发电装置(VIVACE)提供必要的理论指导和技术支撑。     

Fe-Cr-Mo合金降性能的研究

摘要:从工程应用出发,对比研究了18-8不锈钢Fe-Cr-Mo阻尼合金圆桶试样在自由和受迫振动条件下噪声的响应规律,同时还研究了激振力大小对两试样噪声响应峰值的影响以及两试样的隔声降噪性能。研究结果表明：无论自由振动条件下,还是受迫振动条件下,Fe-Cr-Mo阻尼合金都表现出较低的噪声响应性能。随着激振力的增大,两试样的噪声响应峰值均增大,但Fe-Cr-Mo阻尼合金试样的响应峰值较18-8不锈钢试样明显降低;Fe-Cr-Mo阻尼合金试样隔声时,较18-8不锈钢更能显著地降低了声源的噪声。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维（Macro Fiber Composite, MFC）致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明：在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。     

含常数激励非对称 Duffing 系统的主共振响应及鞍结分岔研究

针对含常数激励的非对称 Duffing 系统开展鞍结分岔特性研究。采用谐波平衡法求得系统在主共振下的周期解,采用 Floquet理论分析周期解的稳定性,利用幅频响应曲线上鞍结分岔点处具有切线铅直的几何特征,计算系统关于常数激励和简谐激励频率的鞍结分岔集,并分析阻尼和简谐激励幅值对系统鞍结分岔集的影响规律。结果表明,在常数激励与简谐激励频率构成的参数平面上,鞍结分岔集由两条曲线组成,其中一条为软特性共振滞后区对应的鞍结分岔集,另一条为硬特性共振滞后区对应的鞍结分岔集,两条曲线包围的参数区域为多解参数区,在两条曲线交叉形成的参数区域内,系统存在 5 解共存现象以及复杂的振动突跳现象。随着常数激励的增大,系统软特性逐渐增强、硬特性逐渐变弱,两者对应的共振滞后区从分离到交叉,直到硬特性共振滞后区消失。增大系统阻尼或减小简谐激励幅值有助于抑制系统主共振响应中的多解及复杂振动跳跃现象     

分数阶Ver Del Pol-Duffing系统的非线性动力学行为分析

利用分数导数本构模型模拟系统的阻尼特性,构造了分数阶Ver Del Pol-Duffing系统,探讨了系统的动力特性随特征参数的变化规律。分析发现：该非线性振子具有与经典Ver Del Pol系统相似的自激振动特性,但其非线性强弱受分数导数阶值以及阻尼系数和非线性大位移系数的影响;在简谐荷载作用下,随着外荷载幅值的增大或阻尼系数的减小,系统由拟周期振动变为周期三振动最后发展为单周期振动;在地震荷载作用下,分数导数阶值的变化能改变系统的输出能量。     

分裂输电导线风雨致振机理及分析模型

在特定风雨条件下,分裂输电导线会发生剧烈的风雨致振现象,这种振动会造成子导线间碰撞、鞭击、断线及倒塔等事故。为揭示分裂输电导线风雨振动机理,对含雨线的二分裂输电导线尾流场气动力特性进行CFD数值计算,获取背风子导线气动力系数随雨线位置变化曲线;建立背风子导线风雨致振理论分析模型,将CFD计算所得气动力系数曲线代入该模型并应用有限单元法和中心差分法进行数值求解,详细分析了雨线位置角对动力背风子导线振动特性的影响。研究表明,上雨线振荡是诱发背风子导线风雨致振的主要诱因,其振动特性明显区别于分裂输电导线的尾流驰振。     

雷诺数对椭圆形断面气动力及驰振稳定性的影响

具有类似于圆形断面的细长结构常发生大幅的风致不稳定振动,气动力分析是研究该类振动机理的主要方法,雷诺数是该类结构气动力的主要影响因素之一。通过长短轴之比为1.5的椭圆形断面刚性模型测压风洞试验,得到了雷诺数从32k~250k范围内的气动力。讨论了雷诺数对平均气动力、平均风压分布、流动特征点、斯托洛哈数的影响规律。采用考虑雷诺数和振动方向影响的驰振稳定性分析方法,分析了该断面的驰振稳定性。结果表明,在高雷诺数范围内,随着雷诺数的增大平均阻力系数减小、平均升力系数随风向角的变化更剧烈、最小风压点和分离点向尾流移动、规则的漩涡脱落消失;在雷诺数对气动力有明显影响的区域内,气动阻尼为负值,结构可能发生驰振,横风向振动负气动阻尼主要归因于雷诺数对平均气动升力随风向角的变化的影响,顺风向振动负气动阻尼主要是由于平均气动阻力随雷诺数增大而减小造成的。