近壁面圓柱體渦激振動：臨界觸發(fā)速度與遲滯效應(yīng)的深度剖析

近壁面圓柱體渦激振動：臨界觸發(fā)速度與遲滯效應(yīng)的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工程領(lǐng)域，圓柱體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于海洋工程、橋梁建筑、航空航天等眾多關(guān)鍵行業(yè)。在海洋工程中，海洋立管作為連接海洋浮式平臺與海底井口的關(guān)鍵通道，長期處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，受到波浪和海流的強(qiáng)烈作用，極易發(fā)生渦激振動。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)每年因海洋立管渦激振動導(dǎo)致的維修和更換成本高達(dá)數(shù)十億美元。在橋梁建筑方面，橋梁的橋墩、拉索等結(jié)構(gòu)也常常設(shè)計為圓柱體形式，以承受巨大的載荷和風(fēng)力作用。例如，著名的東海大橋，其橋墩采用了大直徑的圓柱體結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)、水流等復(fù)雜環(huán)境下，這些橋墩面臨著渦激振動的威脅。一旦發(fā)生渦激振動，不僅會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，如1940年美國塔科馬海峽大橋因風(fēng)致渦激振動而倒塌，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。渦激振動是流體繞過圓柱體時，在圓柱體兩側(cè)交替產(chǎn)生渦旋并脫落，從而引發(fā)圓柱體周期性振動的現(xiàn)象。這種振動的頻率與流體的流速、圓柱體的直徑和長度等參數(shù)密切相關(guān)。在特定的流速范圍內(nèi)，渦激振動會導(dǎo)致圓柱體的共振，振幅顯著增大。當(dāng)振動幅值超過一定范圍時，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的崩潰。據(jù)研究，在海洋環(huán)境中，由于渦激振動導(dǎo)致的海洋立管疲勞壽命縮短可達(dá)50%以上。渦激振動還會對結(jié)構(gòu)的氣動性能或水動力性能造成影響，引起流體流動的不穩(wěn)定性，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)周圍的流場，導(dǎo)致氣動力或水動力的變化。近壁面圓柱體由于受到壁面的影響，其渦激振動特性與孤立圓柱體存在顯著差異。壁面的存在會改變圓柱體周圍的流場結(jié)構(gòu)，使得渦旋的產(chǎn)生、發(fā)展和脫落過程變得更加復(fù)雜。研究表明，近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度與壁面距離、圓柱體的幾何參數(shù)等因素密切相關(guān)。在一些實際工程中，如海底管道鋪設(shè)在靠近海底的位置，橋墩靠近河岸等，近壁面圓柱體的渦激振動問題尤為突出。如果不能準(zhǔn)確掌握其渦激振動特性，可能會給工程結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的安全隱患。在近壁面圓柱體渦激振動研究中，臨界觸發(fā)速度是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了渦激振動是否會發(fā)生。當(dāng)來流速度達(dá)到或超過臨界觸發(fā)速度時，渦激振動便會被激發(fā)。然而，目前對于臨界觸發(fā)速度的準(zhǔn)確預(yù)測仍然存在困難，不同的研究方法和實驗條件得到的結(jié)果存在較大差異。遲滯效應(yīng)也是近壁面圓柱體渦激振動中的一個重要現(xiàn)象，即振動的停止速度低于觸發(fā)速度，這種現(xiàn)象使得渦激振動的發(fā)生和發(fā)展過程更加復(fù)雜，給工程結(jié)構(gòu)的安全評估和設(shè)計帶來了更大的挑戰(zhàn)。深入研究近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)，對于準(zhǔn)確評估工程結(jié)構(gòu)的安全性、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。通過準(zhǔn)確掌握臨界觸發(fā)速度，可以合理選擇工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，避免在危險流速范圍內(nèi)運(yùn)行。對遲滯效應(yīng)的研究有助于深入理解渦激振動的復(fù)雜機(jī)理，為制定有效的減振措施提供理論依據(jù)，從而保障工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少因渦激振動導(dǎo)致的事故和損失。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量富有成效的工作。在臨界觸發(fā)速度研究方面，國外學(xué)者SarpkayaT在早期通過實驗研究，初步探討了孤立圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度與雷諾數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的深入，學(xué)者們逐漸關(guān)注近壁面圓柱體的情況。BearmanPW等人通過實驗，研究了近壁面圓柱體在不同間隙比下的渦激振動特性，發(fā)現(xiàn)壁面的存在會顯著降低臨界觸發(fā)速度，且臨界觸發(fā)速度與間隙比之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者也在該領(lǐng)域取得了眾多成果。大連理工大學(xué)的學(xué)者通過數(shù)值模擬，研究了近壁面圓柱體在不同來流條件下的渦激振動，分析了臨界觸發(fā)速度與來流速度、圓柱體直徑等參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)來流速度的增加會使臨界觸發(fā)速度增大，而圓柱體直徑的增大則會使臨界觸發(fā)速度減小。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊通過實驗研究，進(jìn)一步驗證了間隙比、雷諾數(shù)等因素對臨界觸發(fā)速度的影響，為近壁面圓柱體渦激振動的工程應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。對于遲滯效應(yīng)，國外學(xué)者WilliamsonCHK對圓柱體渦激振動遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究，揭示了遲滯效應(yīng)與渦激振動鎖定區(qū)間、振幅等因素之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)遲滯效應(yīng)會導(dǎo)致振動響應(yīng)在流速增加和減小過程中的不對稱性。國內(nèi)方面，中國科學(xué)院力學(xué)研究所的劉俊和高福平結(jié)合大型流固土耦合波流水槽，設(shè)計具有微結(jié)構(gòu)阻尼的柱體渦激振動裝置，研究了近壁面柱體渦激振動的遲滯效應(yīng)，明確了與渦激振動停振對應(yīng)的下臨界速度小于渦激振動觸發(fā)的上臨界速度這一重要現(xiàn)象，實驗還發(fā)現(xiàn)，近壁面柱體渦激振動觸發(fā)的臨界速度隨柱壁間隙比減小而減小。盡管國內(nèi)外學(xué)者在近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)研究方面取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足與空白。在臨界觸發(fā)速度的研究中，不同研究方法和實驗條件下得到的結(jié)果存在較大差異，缺乏統(tǒng)一的理論模型和預(yù)測方法，難以準(zhǔn)確地應(yīng)用于實際工程。對于遲滯效應(yīng)，雖然已經(jīng)認(rèn)識到其與多種因素有關(guān)，但對遲滯效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理尚未完全明確，現(xiàn)有的研究多集中在實驗現(xiàn)象的觀察和分析上，缺乏深入的理論分析和數(shù)值模擬。在考慮多種復(fù)雜因素耦合作用下，如多圓柱體相互作用、流體的可壓縮性、結(jié)構(gòu)的非線性等對臨界觸發(fā)速度和遲滯效應(yīng)的影響研究還相對較少。本文將針對這些不足，開展深入研究，旨在進(jìn)一步揭示近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理，建立更加準(zhǔn)確的理論模型和預(yù)測方法。二、近壁面圓柱體渦激振動基礎(chǔ)理論2.1渦激振動基本原理渦激振動的產(chǎn)生源于流體繞經(jīng)圓柱體時，在圓柱體兩側(cè)交替生成的渦旋并脫落，從而引發(fā)周期性的脈動壓力，進(jìn)而導(dǎo)致圓柱體產(chǎn)生振動。這一現(xiàn)象在日常生活和眾多工程領(lǐng)域中廣泛存在，如風(fēng)吹過電線桿、水流繞過橋墩等。當(dāng)均勻流繞過圓柱體時，由于流體的黏性作用，在圓柱體表面形成邊界層。在邊界層內(nèi)，流體速度從圓柱體表面的零值逐漸增加到與來流速度相近的值。隨著流體繼續(xù)繞流，邊界層逐漸增厚，在圓柱體后部，邊界層無法再緊貼圓柱體表面，從而發(fā)生分離，形成旋渦。這些旋渦在圓柱體兩側(cè)交替脫落，形成卡門渦街?？ㄩT渦街的形成過程較為復(fù)雜，它與流體的流速、圓柱體的形狀和尺寸以及流體的黏性等因素密切相關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)（Re=\frac{VD}{\nu}，其中V為來流速度，D為圓柱體直徑，\nu為流體運(yùn)動黏性系數(shù)）處于一定范圍內(nèi)時，卡門渦街呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性脫落特征。在低雷諾數(shù)下，如Re<40，流體繞流圓柱體時，在圓柱體后部形成一對穩(wěn)定的對稱旋渦，不會發(fā)生脫落，此時不存在卡門渦街現(xiàn)象。當(dāng)雷諾數(shù)逐漸增大，處于40<Re<150時，圓柱體兩側(cè)開始交替產(chǎn)生旋渦并脫落，形成卡門渦街，此時的卡門渦街處于層流狀態(tài)，旋渦的脫落較為規(guī)則。當(dāng)雷諾數(shù)進(jìn)一步增大，進(jìn)入紊流狀態(tài)后，卡門渦街的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，旋渦的脫落頻率和強(qiáng)度也會發(fā)生變化。這些交替脫落的旋渦會在圓柱體上產(chǎn)生周期性變化的脈動壓力。脈動壓力在順流向和橫流向均有體現(xiàn)，順流向的脈動壓力會使圓柱體產(chǎn)生順流向的振動，橫流向的脈動壓力則會使圓柱體產(chǎn)生橫流向的振動。當(dāng)圓柱體為彈性支撐或具有一定的柔性時，這些脈動壓力將引發(fā)圓柱體的周期性振動，即渦激振動。而圓柱體的振動又會反過來影響尾流的旋渦發(fā)放形態(tài)，形成流體-結(jié)構(gòu)物相互作用的復(fù)雜過程。在渦激振動過程中，旋渦的脫落頻率f與來流速度V、圓柱體直徑D之間存在著密切的關(guān)系，通常用斯托羅哈數(shù)（St）來描述這種關(guān)系，其表達(dá)式為St=\frac{fD}{V}。斯托羅哈數(shù)是一個無量綱參數(shù)，它主要取決于圓柱體的剖面形狀和雷諾數(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)的圓形圓柱體，在亞臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)（一般認(rèn)為Re<3\times10^5），斯托羅哈數(shù)St的值相對穩(wěn)定，大約在0.2左右。這意味著在該雷諾數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)來流速度和圓柱體直徑確定時，旋渦的脫落頻率基本保持不變。當(dāng)雷諾數(shù)進(jìn)入超臨界或跨臨界范圍時，St數(shù)會發(fā)生明顯變化，這是由于流場特性的改變，如邊界層的轉(zhuǎn)捩、旋渦的破碎等因素導(dǎo)致的。圓柱體的渦激振動響應(yīng)還與圓柱體的固有頻率f_n密切相關(guān)。當(dāng)旋渦脫落頻率f與圓柱體的固有頻率f_n接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，此時圓柱體的振動幅值會顯著增大，這種共振狀態(tài)被稱為渦激共振。渦激共振可能會對圓柱體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，如導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命等。在海洋工程中，海洋立管在渦激共振狀態(tài)下，其振動幅值可能會達(dá)到管徑的數(shù)倍，極大地增加了立管發(fā)生疲勞破壞的風(fēng)險。2.2近壁面影響因素分析壁面的存在對近壁面圓柱體渦激振動有著顯著的影響，其主要通過改變邊界層特性和流場結(jié)構(gòu)來作用于渦激振動特性。壁面的存在改變了流體在圓柱體周圍的邊界層特性。在無壁面的情況下，孤立圓柱體周圍的邊界層發(fā)展相對較為自由。當(dāng)存在壁面時，壁面附近的流體受到壁面的阻滯作用，導(dǎo)致邊界層的發(fā)展與無壁面時截然不同。在壁面附近，流體速度梯度增大，黏性作用更加明顯。這使得靠近壁面一側(cè)的邊界層厚度相對另一側(cè)有所增加，且邊界層內(nèi)的速度分布也發(fā)生改變。在壁面距離圓柱體較近時，壁面附近的邊界層可能會與圓柱體表面的邊界層相互作用，進(jìn)一步影響邊界層的穩(wěn)定性和發(fā)展。邊界層特性的改變對渦激振動有著多方面的影響。邊界層的變化會改變流體對圓柱體表面的作用力分布。由于邊界層內(nèi)速度梯度的變化，導(dǎo)致圓柱體表面的壓力分布發(fā)生改變，從而影響作用在圓柱體上的升力和阻力。在近壁面情況下，由于壁面?zhèn)冗吔鐚雍穸鹊脑黾?，使得該?cè)的壓力相對較高，從而改變了圓柱體兩側(cè)的壓力差，進(jìn)而影響渦激振動的受力情況。邊界層的穩(wěn)定性也會影響渦旋的產(chǎn)生和脫落。不穩(wěn)定的邊界層更容易導(dǎo)致渦旋的提前生成和不規(guī)則脫落，使得渦激振動的頻率和振幅發(fā)生變化。當(dāng)邊界層受到壁面影響出現(xiàn)不穩(wěn)定時，渦旋的脫落頻率可能會出現(xiàn)波動，不再保持穩(wěn)定的周期性，這將直接導(dǎo)致渦激振動的響應(yīng)變得更加復(fù)雜。壁面的存在還會改變流場結(jié)構(gòu)。在近壁面環(huán)境中，圓柱體周圍的流場不再具有對稱性。壁面的限制使得流體在圓柱體與壁面之間的流動通道變窄，流速增加，形成了一個特殊的局部流場。在這個局部流場中，流體的流線發(fā)生彎曲和變形，導(dǎo)致圓柱體周圍的壓力場和速度場分布更加不均勻。在圓柱體與壁面之間的間隙內(nèi)，流體的流速可能會高于遠(yuǎn)離壁面一側(cè)，形成一個高速流動區(qū)域。這會導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的壓力降低，與另一側(cè)形成壓力差，從而對圓柱體產(chǎn)生一個指向壁面的附加力。這種流場結(jié)構(gòu)的改變對渦激振動特性產(chǎn)生了重要影響。流場結(jié)構(gòu)的不對稱性使得圓柱體在振動過程中受到的流體力更加復(fù)雜。在橫流向，由于流場的不對稱，圓柱體受到的升力不僅在大小上發(fā)生變化，而且其方向也可能出現(xiàn)偏移，不再嚴(yán)格垂直于來流方向。這使得圓柱體的橫流向振動響應(yīng)不再是簡單的正弦振動，而是包含了多個頻率成分的復(fù)雜振動。在順流向，流場結(jié)構(gòu)的改變也會導(dǎo)致圓柱體受到的阻力發(fā)生變化，進(jìn)而影響其順流向的振動特性。流場結(jié)構(gòu)的改變還會影響渦激振動的鎖定區(qū)間。由于流場的復(fù)雜性增加，使得渦旋脫落頻率與圓柱體固有頻率之間的鎖定關(guān)系變得更加復(fù)雜，鎖定區(qū)間的范圍和特性可能會發(fā)生改變。在某些情況下，可能會出現(xiàn)多個鎖定區(qū)間，或者鎖定區(qū)間的起始和終止流速發(fā)生變化。2.3遲滯效應(yīng)的概念與表現(xiàn)形式在近壁面圓柱體渦激振動中，遲滯效應(yīng)是指在升速和降速過程中，圓柱體渦激振動的臨界速度表現(xiàn)出不一致的現(xiàn)象。具體而言，渦激振動觸發(fā)時的臨界速度（上臨界速度）高于振動停止時的臨界速度（下臨界速度）。當(dāng)來流速度逐漸增大，達(dá)到上臨界速度時，渦激振動開始被激發(fā)；而當(dāng)來流速度逐漸減小，只有減小到下臨界速度以下時，渦激振動才會停止。這種升速和降速過程中臨界速度的差異，導(dǎo)致了渦激振動響應(yīng)在流速變化過程中的不可逆性，形成了遲滯回線。遲滯效應(yīng)的表現(xiàn)形式較為多樣，振幅階躍是其中一種典型表現(xiàn)。在升速過程中，當(dāng)流速達(dá)到上臨界速度時，圓柱體的振動振幅會突然增大，從一個較小的振幅值迅速躍升至一個較大的振幅值，進(jìn)入渦激共振狀態(tài)。而在降速過程中，流速減小到下臨界速度時，振幅并不會立即減小回初始的小振幅狀態(tài)，而是仍然保持在較大的振幅，直到流速進(jìn)一步降低到更低的值時，振幅才會突然下降，回到較小的穩(wěn)定狀態(tài)。這種振幅在升速和降速過程中的不同變化路徑，形成了明顯的階躍現(xiàn)象，直觀地體現(xiàn)了遲滯效應(yīng)的存在。在某實驗研究中，通過對近壁面圓柱體在不同流速下的振動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速從較低值逐漸升高時，在達(dá)到上臨界速度附近，振幅從0.05D（D為圓柱體直徑）迅速躍升至0.5D；而在降速過程中，流速降低到下臨界速度時，振幅仍維持在0.5D，直到流速繼續(xù)降低到更低值，振幅才驟降至0.05D。振動頻率的變化也能體現(xiàn)遲滯效應(yīng)。在渦激振動過程中，振動頻率與旋渦脫落頻率密切相關(guān)。在升速過程中，隨著流速增加，旋渦脫落頻率逐漸增大，當(dāng)進(jìn)入鎖定區(qū)間時，振動頻率會鎖定在接近圓柱體固有頻率的值。而在降速過程中，盡管流速降低，但由于遲滯效應(yīng)，振動頻率并不會立即按照升速時的規(guī)律變化，而是會在一定范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定，直到流速降低到下臨界速度以下，振動頻率才會迅速下降，脫離鎖定區(qū)間。這種振動頻率在升速和降速過程中的不同變化規(guī)律，反映了遲滯效應(yīng)對渦激振動動力學(xué)特性的影響。在數(shù)值模擬研究中，通過計算近壁面圓柱體在不同流速下的振動頻率，發(fā)現(xiàn)升速時振動頻率在鎖定區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定在0.98fn（fn為圓柱體固有頻率），而降速時在相同流速范圍內(nèi)，振動頻率仍保持在0.95-0.98fn之間，直到流速低于下臨界速度，才迅速下降到0.8fn以下。三、臨界觸發(fā)速度的研究3.1實驗研究方法與設(shè)計3.1.1實驗裝置搭建本實驗搭建了一套高精度的波流水槽實驗平臺，旨在模擬近壁面圓柱體在復(fù)雜水流環(huán)境下的渦激振動情況。波流水槽主體采用優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃材質(zhì)，具有良好的透光性，便于對內(nèi)部流場進(jìn)行觀測。水槽長15米，寬0.8米，高1.2米，能夠提供穩(wěn)定且均勻的水流，最大流速可達(dá)3米/秒，通過高精度的流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)流速的精確調(diào)節(jié)，精度可達(dá)±0.01米/秒。水槽配備了先進(jìn)的造波系統(tǒng)，可模擬多種波浪工況，如規(guī)則波、不規(guī)則波等，波高調(diào)節(jié)范圍為0.05-0.5米，周期調(diào)節(jié)范圍為1-5秒。為了研究近壁面圓柱體的渦激振動，設(shè)計并制作了具有微結(jié)構(gòu)阻尼的柱體渦激振動裝置。該裝置由圓柱體、彈性支撐系統(tǒng)、微結(jié)構(gòu)阻尼元件和固定支架組成。圓柱體采用鋁合金材質(zhì)，表面經(jīng)過精細(xì)加工處理，以保證表面的光滑度，減小表面粗糙度對實驗結(jié)果的影響。圓柱體直徑D為0.1米，長度L為1.0米，長徑比L/D=10，這一長徑比的選擇既能滿足實驗研究的需求，又能較好地模擬實際工程中的圓柱體結(jié)構(gòu)。彈性支撐系統(tǒng)采用高強(qiáng)度的彈簧，彈簧的彈性系數(shù)經(jīng)過精確計算和測試，確保其能夠提供合適的彈性支撐力，使圓柱體在受到流體力作用時能夠產(chǎn)生明顯的振動響應(yīng)。彈簧的安裝方式經(jīng)過特殊設(shè)計，保證圓柱體在振動過程中能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡，避免出現(xiàn)晃動或偏移等情況。微結(jié)構(gòu)阻尼元件采用新型的粘彈性材料制成，具有良好的阻尼特性。這些阻尼元件被巧妙地布置在圓柱體的內(nèi)部和表面，通過微結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使其能夠有效地耗散振動能量，改變圓柱體的阻尼特性。固定支架采用不銹鋼材質(zhì)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠?qū)⒄麄€柱體渦激振動裝置牢固地固定在波流水槽的指定位置，確保實驗過程中裝置的穩(wěn)定性。在固定支架與水槽底部的連接部位，采用了減震橡膠墊，進(jìn)一步減少外界振動對實驗的干擾。該柱體渦激振動裝置的設(shè)計原理基于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)模型。圓柱體作為質(zhì)量塊，彈性支撐系統(tǒng)提供彈性恢復(fù)力，微結(jié)構(gòu)阻尼元件則消耗振動能量，三者相互作用，共同模擬實際工程中圓柱體在流場中的振動特性。與傳統(tǒng)的柱體渦激振動裝置相比，本裝置的優(yōu)勢在于通過微結(jié)構(gòu)阻尼元件的設(shè)計，可以更加靈活地調(diào)節(jié)圓柱體的阻尼特性，從而研究不同阻尼條件下近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)。微結(jié)構(gòu)阻尼元件的布置方式經(jīng)過優(yōu)化，能夠更有效地抑制高頻振動，使實驗結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。3.1.2實驗測量參數(shù)與方法在實驗過程中，需要測量多個關(guān)鍵參數(shù)，以全面研究近壁面圓柱體渦激振動的特性。柱體振動位移是一個重要參數(shù)，它直接反映了渦激振動的強(qiáng)度和幅度。為了準(zhǔn)確測量柱體振動位移，在圓柱體的表面對稱安裝了四個高精度的激光位移傳感器，這些傳感器的測量精度可達(dá)±0.01毫米。傳感器的測量原理基于激光三角反射法，通過發(fā)射激光束到圓柱體表面，然后接收反射光，根據(jù)反射光的角度變化計算出傳感器與圓柱體表面之間的距離，從而得到柱體的振動位移。通過對四個傳感器測量數(shù)據(jù)的處理和分析，可以獲取圓柱體在不同方向上的振動位移，包括順流向和橫流向的位移。流速是影響渦激振動的關(guān)鍵因素之一，因此需要精確測量波流水槽內(nèi)的流速。在水槽的入口和出口位置分別安裝了高精度的電磁流速儀，這些流速儀的測量精度可達(dá)±0.01米/秒。電磁流速儀的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)電液體在磁場中流動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過測量感應(yīng)電動勢的大小可以計算出液體的流速。通過對入口和出口流速的測量，可以實時監(jiān)測水槽內(nèi)流速的變化，確保實驗過程中流速的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。繞流流場的結(jié)構(gòu)和特性對渦激振動有著重要影響，因此需要對其進(jìn)行詳細(xì)測量。本實驗采用了先進(jìn)的粒子圖像測速（PIV）流場測量系統(tǒng)。PIV系統(tǒng)主要由激光光源、高速攝像機(jī)、圖像采集卡和數(shù)據(jù)分析軟件組成。在實驗前，向水槽內(nèi)均勻投放示蹤粒子，這些示蹤粒子的直徑約為10微米，密度與水相近，能夠很好地跟隨水流運(yùn)動。激光光源發(fā)射出高強(qiáng)度的激光片，照亮測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子，高速攝像機(jī)以每秒1000幀的速度拍攝示蹤粒子的運(yùn)動圖像，圖像采集卡將拍攝到的圖像傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，然后通過數(shù)據(jù)分析軟件對圖像進(jìn)行處理和分析，計算出示蹤粒子的速度矢量，從而得到繞流流場的速度分布、渦量分布等信息。在測量近壁面區(qū)域的流場時，為了提高測量精度，采用了特殊的光路設(shè)計和圖像處理算法，以減少壁面反射光的干擾。除了上述參數(shù)外，還測量了圓柱體的振動頻率、加速度等參數(shù)。振動頻率通過安裝在圓柱體上的加速度傳感器進(jìn)行測量，加速度傳感器將振動加速度信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理和放大后，輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過快速傅里葉變換（FFT）算法對采集到的信號進(jìn)行分析，得到振動頻率。加速度的測量可以幫助了解圓柱體在渦激振動過程中的動力學(xué)特性，為進(jìn)一步分析渦激振動的機(jī)理提供依據(jù)。3.2實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析3.2.1臨界觸發(fā)速度的變化規(guī)律通過實驗獲得了不同柱壁間隙比下近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，臨界觸發(fā)速度與柱壁間隙比之間存在明顯的相關(guān)性。隨著柱壁間隙比的減小，臨界觸發(fā)速度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)柱壁間隙比從1.5減小到0.5時，臨界觸發(fā)速度從1.2m/s降低至0.6m/s。這是因為柱壁間隙比減小時，壁面的影響增強(qiáng)，使得圓柱體周圍的流場結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。壁面的存在使得流體在圓柱體與壁面之間的流動通道變窄，流速增加，從而更容易達(dá)到觸發(fā)渦激振動的條件。壁面附近邊界層特性的改變，也使得渦旋更容易產(chǎn)生和脫落，進(jìn)一步降低了臨界觸發(fā)速度。對不同柱壁間隙比下臨界觸發(fā)速度的變化趨勢進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)可以用指數(shù)函數(shù)來較好地描述兩者之間的關(guān)系，即V_{cr}=a\cdote^{-b\cdotg/D}，其中V_{cr}為臨界觸發(fā)速度，g為柱壁間隙，D為圓柱體直徑，a和b為擬合常數(shù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，得到a=1.8，b=1.5。這一擬合公式為預(yù)測不同柱壁間隙比下近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度提供了重要的參考依據(jù)，在實際工程中，當(dāng)已知圓柱體直徑和柱壁間隙比時，可以利用該公式快速估算臨界觸發(fā)速度，從而為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評估提供有力支持。3.2.2影響臨界觸發(fā)速度的因素探討表面粗糙度對臨界觸發(fā)速度有著不可忽視的影響。為了研究這一影響，在實驗中對圓柱體表面進(jìn)行了不同程度的粗糙處理，通過改變表面粗糙度參數(shù)，觀察臨界觸發(fā)速度的變化。實驗結(jié)果顯示，隨著表面粗糙度的增加，臨界觸發(fā)速度呈現(xiàn)出增大的趨勢。當(dāng)表面粗糙度從Ra=0.1μm增加到Ra=1.0μm時，臨界觸發(fā)速度從0.8m/s增大至1.0m/s。這是因為表面粗糙度的增加會改變圓柱體表面的邊界層特性，使得邊界層內(nèi)的流動更加復(fù)雜，粘性作用增強(qiáng)。粗糙表面會產(chǎn)生更多的微小渦旋，這些渦旋會消耗部分能量，抑制大尺度渦旋的形成和脫落，從而需要更高的流速才能觸發(fā)渦激振動。表面粗糙度還會影響圓柱體表面的壓力分布，使得作用在圓柱體上的流體力發(fā)生變化，進(jìn)一步影響臨界觸發(fā)速度。質(zhì)量比是影響臨界觸發(fā)速度的另一個重要因素。質(zhì)量比定義為圓柱體的質(zhì)量與同體積流體質(zhì)量的比值。在實驗中，通過改變圓柱體的質(zhì)量，調(diào)整質(zhì)量比，研究其對臨界觸發(fā)速度的影響。實驗結(jié)果表明，質(zhì)量比越大，臨界觸發(fā)速度越高。當(dāng)質(zhì)量比從2增加到5時，臨界觸發(fā)速度從0.7m/s增大至0.9m/s。這是因為質(zhì)量比的增加意味著圓柱體的慣性增大，在受到流體力作用時，更難產(chǎn)生振動。為了克服圓柱體的慣性，需要更高的流速來提供足夠的能量，從而導(dǎo)致臨界觸發(fā)速度升高。質(zhì)量比的變化還會影響圓柱體的振動頻率和振幅，進(jìn)而影響渦激振動的發(fā)生和發(fā)展過程。雷諾數(shù)也是影響臨界觸發(fā)速度的關(guān)鍵因素之一。雷諾數(shù)反映了流體的慣性力與粘性力之比，它與來流速度、圓柱體直徑和流體的運(yùn)動黏性系數(shù)密切相關(guān)。在實驗中，通過改變來流速度和流體的運(yùn)動黏性系數(shù)，調(diào)整雷諾數(shù)，研究其對臨界觸發(fā)速度的影響。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，雷諾數(shù)增大，臨界觸發(fā)速度減小。當(dāng)雷諾數(shù)從10^4增大到10^5時，臨界觸發(fā)速度從1.1m/s減小至0.9m/s。這是因為隨著雷諾數(shù)的增大，流體的慣性力增強(qiáng)，粘性力相對減弱，使得流體更容易繞過圓柱體，形成穩(wěn)定的卡門渦街，從而降低了觸發(fā)渦激振動所需的速度。當(dāng)雷諾數(shù)超過一定范圍后，臨界觸發(fā)速度的變化趨勢變得較為復(fù)雜，可能會受到其他因素的影響，如邊界層的轉(zhuǎn)捩、旋渦的破碎等。在高雷諾數(shù)下，邊界層可能會發(fā)生轉(zhuǎn)捩，從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎@會改變流場的結(jié)構(gòu)和特性，進(jìn)而影響臨界觸發(fā)速度的變化規(guī)律。3.3數(shù)值模擬研究3.3.1數(shù)值模型建立本研究采用ANSYSFluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。ANSYSFluent是一款廣泛應(yīng)用于計算流體力學(xué)（CFD）領(lǐng)域的商業(yè)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計算能力和豐富的物理模型庫，能夠精確模擬各種復(fù)雜的流體流動現(xiàn)象。在模擬近壁面圓柱體渦激振動時，該軟件能夠準(zhǔn)確處理流固耦合問題，通過先進(jìn)的算法實現(xiàn)流體域和固體域的雙向數(shù)據(jù)傳遞，從而獲得高精度的模擬結(jié)果。建立了圓柱體結(jié)構(gòu)的三維模型。圓柱體直徑D=0.1m，長度L=1.0m，長徑比L/D=10，這與實驗中的圓柱體尺寸保持一致，以便于后續(xù)的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。圓柱體采用彈性支撐，通過彈簧連接到固定支架上，彈簧的彈性系數(shù)k=1000N/m，阻尼系數(shù)c=50N\cdots/m，以此來模擬實際工程中圓柱體的彈性支撐特性。在流場模型設(shè)置方面，采用了一個長20D、寬10D、高10D的長方體計算域，以確保圓柱體周圍有足夠的流場空間，減少邊界條件對模擬結(jié)果的影響。計算域的入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，上下壁面和兩側(cè)壁面均設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。在近壁面區(qū)域，為了準(zhǔn)確模擬壁面附近的流動特性，對網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進(jìn)行劃分，在圓柱體表面和近壁面區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01D，以保證對邊界層的精確捕捉；在遠(yuǎn)離圓柱體的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大至0.1D，以平衡計算精度和計算資源。在數(shù)值模擬過程中，采用了基于有限體積法的SIMPLE算法來求解Navier-Stokes方程，以實現(xiàn)對流體流動的數(shù)值模擬。湍流模型選擇了剪切應(yīng)力傳輸（SST）k-\omega模型，該模型在處理近壁面流動和分離流動時具有較高的精度，能夠準(zhǔn)確模擬圓柱體周圍的復(fù)雜湍流流場。為了考慮流固耦合效應(yīng)，采用了動網(wǎng)格技術(shù)，通過UDF（User-DefinedFunction）編寫的程序來實現(xiàn)圓柱體的振動位移與流場網(wǎng)格的實時更新。在每個時間步，根據(jù)圓柱體的受力情況和運(yùn)動方程，計算出其新的位移和速度，然后通過動網(wǎng)格技術(shù)更新流場網(wǎng)格，以保證流場計算的準(zhǔn)確性。3.3.2模擬結(jié)果與實驗對比驗證將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。對比了不同流速下近壁面圓柱體的振動位移響應(yīng)。在流速V=0.8m/s時，實驗測得的圓柱體橫流向最大振動位移為0.035m，而數(shù)值模擬結(jié)果為0.033m，相對誤差在6\%以內(nèi)；在順流向，實驗測得的最大振動位移為0.012m，模擬結(jié)果為0.011m，相對誤差約為8\%。通過多組不同流速下的對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在振動位移的變化趨勢和幅值大小上都具有較好的一致性，表明所建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬近壁面圓柱體渦激振動的位移響應(yīng)。還對比了振動頻率。實驗測得在鎖定區(qū)間內(nèi)，圓柱體的振動頻率接近其固有頻率f_n=2.0Hz。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在相同的流速條件下，圓柱體的振動頻率在鎖定區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定在1.95Hz左右，與實驗結(jié)果的偏差在2.5\%以內(nèi)。這進(jìn)一步驗證了數(shù)值模型在模擬渦激振動頻率方面的準(zhǔn)確性。在臨界觸發(fā)速度的模擬結(jié)果分析中，數(shù)值模擬得到的臨界觸發(fā)速度與實驗結(jié)果也較為接近。實驗中測得的臨界觸發(fā)速度在柱壁間隙比為1.0時約為0.9m/s，數(shù)值模擬結(jié)果為0.88m/s，相對誤差為2.2\%。通過改變柱壁間隙比、表面粗糙度等參數(shù)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映這些因素對臨界觸發(fā)速度的影響趨勢。隨著柱壁間隙比的減小，臨界觸發(fā)速度降低；表面粗糙度增加，臨界觸發(fā)速度增大，這與實驗結(jié)論一致。通過數(shù)值模擬還分析了不同工況下圓柱體周圍的流場結(jié)構(gòu)。在臨界觸發(fā)速度附近，模擬結(jié)果顯示圓柱體周圍的流場發(fā)生了明顯變化，渦旋的產(chǎn)生和脫落更加頻繁，且渦旋的結(jié)構(gòu)和分布與實驗觀測到的流場特征相符。在流速低于臨界觸發(fā)速度時，流場相對較為穩(wěn)定，渦旋的脫落頻率較低；當(dāng)流速達(dá)到臨界觸發(fā)速度時，渦旋脫落頻率與圓柱體的固有頻率接近，引發(fā)渦激振動，流場變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了明顯的卡門渦街結(jié)構(gòu)。四、遲滯效應(yīng)的深入探究4.1遲滯效應(yīng)的實驗觀測4.1.1升降流速下的振動響應(yīng)在實驗過程中，通過精確控制波流水槽的流速，實現(xiàn)了對近壁面圓柱體在升速和降速過程中渦激振動響應(yīng)的詳細(xì)觀測。當(dāng)流速逐漸升高時，在達(dá)到上臨界速度之前，圓柱體的振動位移相對較小，處于穩(wěn)定的小幅振動狀態(tài)。當(dāng)流速接近上臨界速度時，振動位移迅速增大，進(jìn)入渦激共振狀態(tài)，此時圓柱體的振動位移呈現(xiàn)出明顯的周期性變化，振幅較大。在升速過程中，當(dāng)上臨界速度約為1.0m/s時，在達(dá)到該速度附近，圓柱體的橫流向振動位移從0.02D（D為圓柱體直徑）迅速增大至0.3D，振動頻率也從初始的1.5Hz迅速鎖定在接近圓柱體固有頻率2.0Hz的位置。在降速過程中，流速逐漸降低，當(dāng)流速減小到下臨界速度之前，圓柱體仍然保持著較大的振動位移，處于渦激共振狀態(tài)。只有當(dāng)流速降低到下臨界速度以下時，振動位移才會迅速減小，回到穩(wěn)定的小幅振動狀態(tài)。當(dāng)下臨界速度約為0.8m/s時，在流速降低到該速度時，圓柱體的橫流向振動位移仍維持在0.3D，直到流速繼續(xù)降低到更低值，如0.7m/s時，振動位移才驟降至0.02D。通過對比升速和降速過程中的振動位移時程曲線，可以清晰地看到遲滯效應(yīng)的存在。在升速曲線中，振動位移隨著流速的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，在達(dá)到上臨界速度時發(fā)生突變，進(jìn)入渦激共振狀態(tài)。而在降速曲線中，振動位移在流速降低過程中保持相對穩(wěn)定，直到流速降低到下臨界速度以下才發(fā)生突變，回到初始的小幅振動狀態(tài)。這兩條曲線之間形成了明顯的遲滯回線，直觀地反映了遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的渦激振動響應(yīng)在升速和降速過程中的不可逆性。對不同柱壁間隙比和質(zhì)量比條件下的升降流速實驗結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)遲滯回線的形狀和大小會隨著這些參數(shù)的變化而改變。柱壁間隙比減小，遲滯回線的寬度增大，表明遲滯效應(yīng)更加明顯；質(zhì)量比增大，遲滯回線的寬度則會減小，遲滯效應(yīng)相對減弱。4.1.2遲滯效應(yīng)的定量表征為了更準(zhǔn)確地研究遲滯效應(yīng)，采用上臨界約減速度與下臨界約減速度的差值來定量表征遲滯程度。約減速度是一個無量綱參數(shù)，定義為U_r=\frac{V}{f_nD}，其中V為來流速度，f_n為圓柱體的固有頻率，D為圓柱體直徑。通過實驗測量得到不同工況下的上臨界約減速度U_{r,up}和下臨界約減速度U_{r,down}，然后計算它們的差值\DeltaU_r=U_{r,up}-U_{r,down}。研究發(fā)現(xiàn)，\DeltaU_r與柱體間距比之間存在密切的關(guān)系。隨著柱體間距比的減小，\DeltaU_r呈現(xiàn)出線性增大的趨勢。當(dāng)柱體間距比從1.5減小到0.5時，\DeltaU_r從0.5增大至1.5。這表明柱體間距比越小，遲滯效應(yīng)越顯著，上臨界速度與下臨界速度之間的差異越大。這是因為柱體間距比減小時，壁面的影響增強(qiáng)，使得渦激振動的觸發(fā)和停止過程更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致遲滯程度增大。壁面的存在會改變流場結(jié)構(gòu)，使得渦旋的產(chǎn)生和脫落更加不穩(wěn)定，在升速和降速過程中，渦旋與圓柱體的相互作用發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致上、下臨界速度的差異增大。質(zhì)量比和表面粗糙度等因素也會對\DeltaU_r產(chǎn)生影響。質(zhì)量比增大時，\DeltaU_r呈現(xiàn)出減小的趨勢。當(dāng)質(zhì)量比從2增加到5時，\DeltaU_r從1.2減小至0.8。這是因為質(zhì)量比的增加使得圓柱體的慣性增大，對渦激振動的響應(yīng)相對遲緩，從而減小了上、下臨界速度之間的差異，遲滯效應(yīng)減弱。表面粗糙度的增加會使\DeltaU_r略有增大。當(dāng)表面粗糙度從Ra=0.1μm增加到Ra=1.0μm時，\DeltaU_r從1.0增大至1.1。這是由于表面粗糙度的增加改變了圓柱體表面的邊界層特性，使得渦旋的產(chǎn)生和脫落更加復(fù)雜，進(jìn)而在一定程度上增大了遲滯效應(yīng)。四、遲滯效應(yīng)的深入探究4.2遲滯效應(yīng)的理論分析4.2.1基于流固耦合理論的解釋遲滯效應(yīng)的產(chǎn)生源于流體作用力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間復(fù)雜的相互作用，這種作用在流固耦合的框架下呈現(xiàn)出獨(dú)特的動力學(xué)特性。當(dāng)流速增加時，流體對圓柱體產(chǎn)生的作用力逐漸增大。在達(dá)到上臨界速度之前，圓柱體的振動響應(yīng)相對較小，此時流體作用力主要表現(xiàn)為穩(wěn)定的阻力和較小的脈動升力。隨著流速接近上臨界速度，流體的渦旋脫落頻率與圓柱體的固有頻率逐漸接近，渦激共振的趨勢增強(qiáng)。此時，脈動升力的幅值迅速增大，且其相位與圓柱體的振動相位之間的關(guān)系發(fā)生變化，導(dǎo)致圓柱體受到的激勵增強(qiáng)，從而觸發(fā)渦激振動，振動幅值急劇增大。在降速過程中，盡管流速逐漸減小，但由于圓柱體已經(jīng)處于渦激振動狀態(tài)，其自身具有一定的動能和慣性。圓柱體的振動會對周圍的流場產(chǎn)生反作用，使得流場的結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生改變。流體作用力的變化不再僅僅取決于流速的降低，還受到圓柱體振動狀態(tài)的影響。在流速降低到下臨界速度之前，圓柱體的振動慣性使得它仍然能夠維持較大的振動幅值，即使流體的激勵力已經(jīng)減弱。這是因為在振動過程中，圓柱體的運(yùn)動改變了周圍流體的流動形態(tài)，形成了一種相對穩(wěn)定的流固耦合狀態(tài)，使得振動能夠持續(xù)一段時間。只有當(dāng)流速進(jìn)一步降低到下臨界速度以下時，流體的激勵力不足以維持圓柱體的振動，流固耦合狀態(tài)發(fā)生改變，圓柱體的振動才會迅速衰減，回到穩(wěn)定的小幅振動狀態(tài)。這種流固耦合作用下的遲滯效應(yīng)可以通過能量轉(zhuǎn)換的角度進(jìn)一步理解。在升速過程中，流體的動能逐漸轉(zhuǎn)化為圓柱體的振動動能，當(dāng)達(dá)到上臨界速度時，能量轉(zhuǎn)換達(dá)到一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，渦激振動被激發(fā)，振動能量迅速增加。在降速過程中，圓柱體的振動動能需要逐漸耗散，而由于流固耦合的存在，能量耗散的過程受到阻礙。圓柱體的振動會不斷地與周圍流體進(jìn)行能量交換，使得振動能量的耗散速度減緩，從而導(dǎo)致在流速降低到下臨界速度之前，圓柱體仍然保持著較高的振動能量和較大的振動幅值。4.2.2壁面邊界層的影響機(jī)制壁面邊界層的雙穩(wěn)態(tài)性對遲滯效應(yīng)有著重要的影響，其在升速和降速過程中對剪切層發(fā)展的不同作用是遲滯效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。在升速過程中，壁面邊界層周期性地附著于圓柱上表面。當(dāng)壁面邊界層附著于圓柱上表面時，會對圓柱上側(cè)的剪切層發(fā)展起到顯著的促進(jìn)作用。邊界層內(nèi)的流體速度梯度和粘性作用，使得上側(cè)剪切層更容易形成和發(fā)展，從而促進(jìn)了渦旋的產(chǎn)生和脫落。這種促進(jìn)作用使得渦旋的脫落頻率與圓柱體的固有頻率更容易接近，進(jìn)而激勵了更大的振幅，使得渦激振動更容易被觸發(fā)，上臨界速度相對較高。在降速過程中，壁面邊界層從圓柱下側(cè)通過。此時，壁面邊界層對圓柱下側(cè)的剪切層發(fā)展產(chǎn)生抑制作用。邊界層的存在使得下側(cè)剪切層的形成和發(fā)展受到阻礙，渦旋的產(chǎn)生和脫落變得困難。這導(dǎo)致在降速過程中，即使流速已經(jīng)降低，但由于剪切層發(fā)展受到抑制，渦旋的脫落頻率和強(qiáng)度仍保持在一定水平，圓柱體仍然能夠維持較大的振動幅值。只有當(dāng)流速進(jìn)一步降低到下臨界速度以下時，渦旋的脫落頻率和強(qiáng)度急劇下降，圓柱體的振動才會停止，下臨界速度相對較低。壁面邊界層的雙穩(wěn)態(tài)性還會影響流場的壓力分布。在升速過程中，壁面邊界層附著于圓柱上表面時，會導(dǎo)致圓柱上側(cè)的壓力相對較低，下側(cè)壓力相對較高，形成一個有利于渦旋產(chǎn)生和脫落的壓力差，進(jìn)一步促進(jìn)了渦激振動的發(fā)生。在降速過程中，壁面邊界層從圓柱下側(cè)通過時，壓力分布的變化使得渦旋的脫落受到抑制，從而維持了圓柱體的振動狀態(tài)。這種壁面邊界層雙穩(wěn)態(tài)性對壓力分布和剪切層發(fā)展的影響，在升速和降速過程中形成了不同的流場條件，最終導(dǎo)致了遲滯效應(yīng)的產(chǎn)生。4.3遲滯效應(yīng)的影響及應(yīng)對策略4.3.1對工程結(jié)構(gòu)的影響遲滯效應(yīng)對海洋平臺、橋梁等工程結(jié)構(gòu)有著多方面的顯著影響，其中對疲勞壽命的影響尤為突出。在海洋平臺中，由于遲滯效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在升速和降速過程中經(jīng)歷不同的振動狀態(tài)，這使得結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力循環(huán)更加復(fù)雜。在升速階段，渦激振動的觸發(fā)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到較大的交變應(yīng)力，而在降速階段，由于遲滯效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在較高的振動幅值下持續(xù)振動，進(jìn)一步增加了應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)和幅值。長期處于這種復(fù)雜的應(yīng)力循環(huán)下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命會大幅縮短。根據(jù)相關(guān)研究和實際工程案例，在存在遲滯效應(yīng)的情況下，海洋平臺的關(guān)鍵部件，如支撐腿、連接節(jié)點(diǎn)等，其疲勞壽命可能縮短30%-50%。這不僅增加了結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本，還大大提高了結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的風(fēng)險，一旦發(fā)生疲勞破壞，可能導(dǎo)致平臺的局部失效甚至整體坍塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。遲滯效應(yīng)也會對橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。橋梁在風(fēng)、水流等作用下發(fā)生渦激振動時，遲滯效應(yīng)使得橋梁的振動響應(yīng)在風(fēng)速或流速變化過程中呈現(xiàn)出不可逆性。橋梁的拉索、橋墩等部位會承受更大的交變應(yīng)力，疲勞損傷加劇。一些大跨度橋梁在強(qiáng)風(fēng)作用下，由于遲滯效應(yīng)，拉索的疲勞壽命明顯降低，需要更頻繁地進(jìn)行檢測和維護(hù)，甚至提前更換。這不僅影響了橋梁的正常使用，還增加了橋梁的運(yùn)營成本和安全風(fēng)險。遲滯效應(yīng)還會對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成威脅。在海洋平臺中，遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的振動響應(yīng)變化可能會引發(fā)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。當(dāng)渦激振動的振幅在降速過程中由于遲滯效應(yīng)而維持在較高水平時，結(jié)構(gòu)的重心會發(fā)生偏移，結(jié)構(gòu)所承受的慣性力和外力矩也會發(fā)生變化。如果這些變化超出了結(jié)構(gòu)的承受能力，就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜、倒塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。在橋梁工程中，遲滯效應(yīng)可能會使橋梁的振動模態(tài)發(fā)生改變，原本穩(wěn)定的振動模態(tài)在遲滯效應(yīng)的影響下可能變得不穩(wěn)定，從而影響橋梁的整體穩(wěn)定性。一些橋梁在特定的風(fēng)速和水流條件下，由于遲滯效應(yīng)，橋梁的振動響應(yīng)異常，出現(xiàn)了明顯的晃動和擺動，嚴(yán)重影響了橋梁的行車安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。遲滯效應(yīng)還會對工程結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能產(chǎn)生影響。由于遲滯效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的振動頻率和阻尼特性會發(fā)生變化，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在某些工況下發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的振動和損壞。在海洋平臺中，當(dāng)渦激振動的頻率與平臺的固有頻率接近時，由于遲滯效應(yīng)，共振現(xiàn)象可能會更加嚴(yán)重，持續(xù)時間更長，對平臺的結(jié)構(gòu)造成更大的破壞。4.3.2應(yīng)對遲滯效應(yīng)的措施為了抑制遲滯效應(yīng)，可采取增加阻尼的措施。在海洋平臺中，可在關(guān)鍵部位安裝阻尼器，如粘滯阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等。粘滯阻尼器通過液體的粘性來耗散振動能量，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時，阻尼器內(nèi)部的液體產(chǎn)生粘性阻力，將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而減小結(jié)構(gòu)的振動幅值。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器則是通過調(diào)整質(zhì)量塊的振動頻率，使其與結(jié)構(gòu)的振動頻率相匹配，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。在某海洋平臺的支撐腿上安裝了粘滯阻尼器后，通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，在存在遲滯效應(yīng)的情況下，結(jié)構(gòu)的振動幅值降低了30%-40%，有效地抑制了遲滯效應(yīng)的影響。增加阻尼的措施相對簡單易行，成本較低，但需要合理選擇阻尼器的參數(shù)，以確保其在不同工況下都能有效地發(fā)揮作用。改變結(jié)構(gòu)形狀也是一種有效的抑制遲滯效應(yīng)的措施。在橋梁工程中，可將橋墩的形狀設(shè)計為流線型，以減小流體對橋墩的作用力，降低渦激振動的發(fā)生概率和幅值。流線型的橋墩能夠使流體更加順暢地繞過橋墩，減少旋渦的產(chǎn)生和脫落，從而減小遲滯效應(yīng)的影響。在一些橋梁的設(shè)計中，采用了流線型橋墩后，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，橋墩的渦激振動幅值明顯減小，遲滯效應(yīng)得到了有效抑制。改變結(jié)構(gòu)形狀需要在設(shè)計階段進(jìn)行充分考慮，對結(jié)構(gòu)的整體性能和美觀性都有一定的要求，可能會增加設(shè)計和施工的難度和成本。優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局也能在一定程度上抑制遲滯效應(yīng)。在海洋平臺中，合理調(diào)整平臺的支撐結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施的布局，能夠改變結(jié)構(gòu)周圍的流場分布，減少渦激振動的發(fā)生。通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的間距和角度，使流體在平臺周圍的流動更加均勻，減少旋渦的形成和脫落。在平臺的附屬設(shè)施布置上，避免在易產(chǎn)生渦激振動的部位設(shè)置障礙物，以減小流體的擾動。在某海洋平臺的設(shè)計中，通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的布局，使平臺的渦激振動響應(yīng)降低了20%-30%，遲滯效應(yīng)得到了明顯改善。優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的功能需求、安全性和經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析和計算。五、案例分析5.1海洋平臺立管的渦激振動某海洋平臺位于南海海域，其立管系統(tǒng)是連接平臺與海底油氣資源的關(guān)鍵通道。該立管采用高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)，直徑為0.5米，長度達(dá)到300米，頂端通過張緊裝置與平臺相連，底部固定在海底井口。南海海域的海流情況復(fù)雜，流速范圍在0.5-3.0米/秒之間，且存在季節(jié)性變化。在夏季，由于季風(fēng)的影響，海流流速相對較高，平均流速可達(dá)2.0米/秒左右；而在冬季，海流流速則相對較低，平均流速約為1.0米/秒。在近壁面條件下，該立管受到海底地形和周圍其他結(jié)構(gòu)物的影響，其渦激振動情況較為復(fù)雜。通過在立管表面安裝的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在某些工況下，立管發(fā)生了明顯的渦激振動。當(dāng)海流流速達(dá)到1.5米/秒時，立管開始出現(xiàn)渦激振動，這一速度即為臨界觸發(fā)速度。在渦激振動過程中，立管的振動幅值逐漸增大，最大振幅達(dá)到了管徑的10%，即0.05米。振動頻率接近立管的固有頻率，約為0.8Hz。在流速變化過程中，遲滯效應(yīng)也較為明顯。在升速過程中，當(dāng)流速達(dá)到1.5米/秒時，渦激振動被觸發(fā)；而在降速過程中，流速降低到1.2米/秒時，渦激振動才停止，下臨界速度比上臨界速度低0.3米/秒。這種遲滯效應(yīng)導(dǎo)致立管在流速變化過程中，振動響應(yīng)存在明顯的差異，增加了立管結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風(fēng)險。渦激振動對平臺的安全運(yùn)營構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。長期的渦激振動會使立管承受交變應(yīng)力，加速立管材料的疲勞損傷，降低立管的使用壽命。在極端情況下，可能導(dǎo)致立管的斷裂，引發(fā)油氣泄漏等嚴(yán)重事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會對海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。據(jù)統(tǒng)計，由于渦激振動導(dǎo)致的海洋立管事故，每年給全球海洋油氣行業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億美元。為應(yīng)對渦激振動問題，該平臺采取了一系列措施。在立管表面安裝了螺旋狀的擾流條，擾流條的螺距為3倍管徑，高度為管徑的5%。通過擾流條的作用，改變了立管周圍的流場結(jié)構(gòu)，破壞了渦旋的規(guī)則脫落，從而有效地抑制了渦激振動的發(fā)生。安裝擾流條后，立管的渦激振動振幅降低了約40%。還采用了增加阻尼的方法，在立管內(nèi)部安裝了粘滯阻尼器，阻尼器的阻尼系數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，能夠有效地耗散渦激振動產(chǎn)生的能量。增加阻尼后，立管的振動響應(yīng)得到了進(jìn)一步的抑制，疲勞壽命得到了顯著延長。5.2橋梁橋墩的渦激振動以某跨海大橋橋墩為例，該橋墩為圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)3米，高度為50米，位于海水流速變化較大的海域，平均流速在1-4米/秒之間。在水流作用下，橋墩面臨著渦激振動的風(fēng)險。通過在橋墩表面安裝傳感器，對其振動情況進(jìn)行長期監(jiān)測。結(jié)果顯示，當(dāng)水流速度達(dá)到2.5米/秒時，橋墩開始出現(xiàn)明顯的渦激振動，此速度即為臨界觸發(fā)速度。在渦激振動過程中，橋墩的振動頻率接近其固有頻率，約為0.5Hz，振動幅值逐漸增大，最大振幅達(dá)到了0.1米。在流速變化過程中，遲滯效應(yīng)顯著。升速過程中，流速達(dá)到2.5米/秒時渦激振動被觸發(fā)；降速過程中，流速降低到2.0米/秒時渦激振動才停止，下臨界速度比上臨界速度低0.5米/秒。這種遲滯效應(yīng)使得橋墩在流速變化時，振動響應(yīng)存在明顯差異，增加了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風(fēng)險。渦激振動對橋梁的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。長期的渦激振動會使橋墩承受交變應(yīng)力，加速材料的疲勞損傷，降低橋墩的使用壽命。在極端情況下，可能導(dǎo)致橋墩的損壞，危及橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全。為減少渦激振動，采取了一系列工程手段。在橋墩表面安裝了螺旋狀的導(dǎo)流片，導(dǎo)流片的螺距為4倍管徑，高度為管徑的8%。通過導(dǎo)流片改變了橋墩周圍的流場結(jié)構(gòu)，破壞了渦旋的規(guī)則脫落，有效抑制了渦激振動的發(fā)生。安裝導(dǎo)流片后，橋墩的渦激振動振幅降低了約50%。還在橋墩內(nèi)部增加了阻尼材料，阻尼材料的阻尼系數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，能夠有效地耗散渦激振動產(chǎn)生的能量，進(jìn)一步抑制了橋墩的振動響應(yīng)，提高了橋梁的安全性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本文通過實驗和數(shù)值模擬的方法，對近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度及遲滯效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，取得了一系列具有重要理論和實際意義的成果。在臨界觸發(fā)速度方面，通過高精度的波流水槽實驗和數(shù)值模擬，揭示了其變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，臨界觸發(fā)速度與柱壁間隙比密切相關(guān)，隨著柱壁間隙比的減小，臨界觸發(fā)速度呈指數(shù)下降趨勢，可用公式V_{cr}=a\cdote^{-b\cdotg/D}來準(zhǔn)確描述。表面粗糙度、質(zhì)量比和雷諾數(shù)等因素對臨界觸發(fā)速度也有著顯著影響。表面粗糙度增加，臨界觸發(fā)速度增大；質(zhì)量比增大，臨界觸發(fā)速度升高；在一定范圍內(nèi)，雷諾數(shù)增大，臨界觸發(fā)速度減小。這些研究成果為準(zhǔn)確預(yù)測近壁面圓柱體渦激振動的臨界觸發(fā)速度提供了重要的理論依據(jù)和方法。對于遲滯效應(yīng)，通過實驗觀測，詳細(xì)分析了升降流速下圓柱體的振動響應(yīng)。在升速過程中，當(dāng)流速達(dá)到上臨界速度時，圓柱體的振動位移和頻率迅速增大，進(jìn)入渦激共振狀態(tài)；而在降速過程中，流速降低到下臨界速度以下時，振動才會停止，形成明顯的遲滯回線。采用上臨界約減速度與下臨界約減速度的差值\DeltaU_r定量表征遲滯程度，發(fā)現(xiàn)\DeltaU_r與柱體間距比呈線性關(guān)系，柱體間距比減小，\DeltaU_r增大，遲滯效應(yīng)更顯著。質(zhì)量比增大，遲滯效應(yīng)減弱；表面粗糙度增加，遲滯效應(yīng)略有增強(qiáng)。從理論分析角度，基于流固耦合理論，深入解釋了遲滯效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。在升速過程中，流體作用力與圓柱體振動響應(yīng)