渦振的案例
共振、渦振、顫振、抖振、喘振、馳振、渦街都是什么意思？
橋梁渦振是一種兼有自激振動和強迫振動特性的有限振幅振動，它在一個相當大的風速范圍內，可保持渦激頻率不變，產生一種“鎖定”(lock-on) 現象。
橋梁渦激共振的有限振幅計算是一個十分重要但又異常困難的問題，目前國內外還沒有形成一套比較完整的橋梁渦振分析理論。
實用上，采用一種半理論半實驗的方法，以近似地估算渦激共振的振幅。
渦振的英語是vortex-induced oscillation。
03 顫振
顫振指的是在氣動力的作用下，由于結構本身具有彈性和慣性，流動與結構互相耦合作用而發生的一種自激振動現象。
抖振通常指的是由于流動本身存在分離、激波附面層干擾等非定常特性，導致加載在彈性結構上的氣動力呈現周期性而造成的結構強迫響應。也就是說在傳統定義下，經典顫振是一種自激振動。
除此之外，還有大攻角下的失速顫振現象，有的學者認為這類存在強分離條件的結構振動是顫振與抖振共存的。
展開 橋梁箱梁渦激振動（渦振）仿真 ￥245
幾何模型與流體域：
幾何模型取用的知網某論文，網格全四邊形，計算精度高，用的層疊網格。
udf導入：2dof，龍格庫塔法
監測：x、y向位移，三分力系數等
結果：速度云圖
結果：位移時程曲線
國內首座獨柱分離式主梁鋼塔斜拉橋
圖3 索塔構造圖（單位：cm）
獨柱鋼塔由于橋面以上塔柱截面尺寸較小，而且鋼結構阻尼比小，易產生風振問題。對于矩形塔柱這種細長的鈍體斷面，可能發生的風振是馳振、渦振及抖振。通過數值風洞試驗和模型試驗，證明本橋獨柱塔無馳振這一發散的危險性振動，但在特定風速下，在橋塔自立狀態（即塔柱施工完掛斜拉索之前），可能產生較大振幅的渦激共振。進一步的風洞試驗研究表明，通過提高獨柱鋼塔的阻尼比，可以有效地減小渦振振幅。我國公路橋梁抗風設計規范中，鋼結構的阻尼比為0.5%，但實測的國內泰州大橋鋼中塔及日本的許多鋼塔，阻尼比均小于0.5%。日本規范建議對不同的振動頻率，采用不同的阻尼比。本橋鋼塔的特征振動頻率為0.23Hz，對應此頻率日本規范建議采用0.15%的阻尼比較合適。模型試驗中，對鋼塔阻尼比分別為0.1%、0.25%、0.5%、1.0%、1.2%都進行了風洞試驗。結果表明，當阻尼比為1%時，渦振振幅小于10cm；當阻尼比為1.2%時，已無渦振現象。在橋塔自立狀態時，通過增設TMD的措施來提升結構阻尼比，以抑制渦激共振和抖振振幅，當設置30噸TMD時，鋼塔阻尼比可達到1.2%。因此，設計采用在塔頂設置TMD 的方法來解決鋼塔渦振問題。
結構支承體系
由于采用獨柱鋼塔，為保證景觀效果，索塔在主梁處不設下橫梁，上部結構采用縱向漂浮體系，索塔與兩側鋼箱梁之間設置橫向抗風支座約束橫向位移，不設豎向支座。索塔與中跨和邊跨的第一道橫梁之間各設置2個縱向黏滯阻尼器（每個索塔4個），以改善結構的動力響應、控制縱向位移，單個阻尼的阻尼系數為1000、速度指數為0.4。黏滯阻尼器對脈動風、剎車和地震引起的動荷載具有阻尼耗能作用，而對溫度和汽車引起的緩慢位移無約束。
展開 Fluent項目仿真
已承接并完成的項目涉及能源動力、航空、船舶、建筑、暖通、電力等諸多領域；
本團隊完成的項目：
? 換熱器流固熱耦合三維流場仿真；
? 多種翅片管換熱及流動特性模擬；
? 多孔介質區域流動模擬；
? 地埋式電纜空間自然對流模擬；
? 室內置換通風流場模擬；
? 建筑風場模擬；
? 濕式冷卻塔換熱模擬；
? 空冷換熱器、空冷島三維換熱流動模擬；
? 風力機等葉輪旋轉機械氣動力模擬；
? 復雜幾何結構氣動外流場模擬；
? 三維動網格模擬；
? 結合結構動力學Newmark-B法采用動網格模擬剛體渦振（二次開發）；
? 船體興波阻力模擬；
? 飛行器亞音速、跨音速、超音速、高超音速模擬；
? 旋轉電機流動與換熱模擬；
? 室內濕空氣換熱流動非穩態模擬（二次開發）；
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注：我們不是一支學生團隊，所有成員均為職業人士，沒有學生。
北京CFD模擬仿真團隊項目介紹.pdf
展開 
專業團隊承接CFD模擬仿真優化和設計項目
已承接并完成的項目涉及電廠、能源動力、航空、船舶、建筑、暖通、電力等諸多領域；
本團隊完成的項目：
l 換熱器流固熱耦合三維流場仿真；
鍋爐燃燒優化仿真模擬，脫硫脫硝流場模擬；
l 多種翅片管換熱及流動特性模擬；
l 多孔介質區域流動模擬；
l 地埋式電纜空間自然對流模擬；
l 室內置換通風流場模擬；
l 建筑風場模擬；
l 濕式冷卻塔換熱模擬；
l 空冷換熱器、空冷島三維換熱流動模擬；
l 風力機等葉輪旋轉機械氣動力模擬；
l 復雜幾何結構氣動外流場模擬；
l 三維動網格模擬；
l 結合結構動力學Newmark-B法采用動網格模擬剛體渦振（二次開發）；
l 船體興波阻力模擬；
l 飛行器亞音速、跨音速、超音速、高超音速模擬；
l 旋轉電機流動與換熱模擬；
l 室內濕空氣換熱流動非穩態模擬（二次開發）；
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1、鍋爐燃燒優化設計模擬
2、脫硫塔流場溫度場模擬優化設計項目
3、汽車流場模擬項目
4、旋轉電機熱仿真模擬
展開 案例分享 | 基于海克斯康技術的渦輪增壓風力發電機設計與分析
圖 7：渦輪葉片的典型應力分析
（來自韓國航空航天大學）
DOCAN 還使用海克斯康的 CAEfatigue 分析低周和高周疲勞問題（例如葉片顫振和渦振），以確保設計滿足所需的使用壽命。CAEfatigue 擅長計算渦輪機由于風不可預測性引起的隨機輸入和輸出。
“非常需要發明和創新，尤其是在氣候變化和寶貴的地球資源枯竭的情況下。目前沒有不燃燒碳或不需要電力來運行的熱量供應商。我們的運營 100% 無碳，我們的燃料（風能）也是無碳的”， H2O 的研發總監兼聯合創始人 Clifford Spilsbury 說，“憑借 DOCAN 團隊的工程專業知識，及其背后的由海克斯康提供的世界領先的CAD 和 CAE 工具，我們堅信我們將成功地將這一創新的可再生能源系統推向市場，改變社會產生熱量的方式，并為我們在 2050 年實現地球碳中和的目標做出貢獻。”
最后，強大的 CFD 和熱-流分析還可以涵蓋許多風力渦輪機問題，例如潛在的氣動彈性顫振、葉片的空氣動力學和專業泵的設計（圖 8 和 9）。此外，Cradle CFD 可以與其他產品（例如 Actran）結合使用，以預測來自渦輪葉片的氣動噪聲。由于渦輪機將安裝在住宅區的后院，因此最大限度地降低氣動噪聲對產品的成功至關重要。
圖 8：渦輪葉片上的壓力分布（前/后視圖）
圖 9：葉片上的壓力分布（側視圖）
展開 經過近兩個月的試驗檢測分析，賽格廣場大廈有感振動的直接原因終于被查出來了！
△城市風環境分析
結構風工程領域通常將實測風速分為長周期的平均風和短周期的脈動風，其中平均風引起結構靜力響應，脈動風通常與結構自振周期接近，發生不同程度的流固耦合振動現象。對于一般高層建筑，通常發生順風向抖振和橫風向渦激振動。由經典的圓柱繞流問題可以發現，建筑截面在風作用下將在橫風向產生交替的旋渦，形成兩側交替脫落的現象。
△卡門渦街
這種卡門渦街現象使得結構表面橫向風壓出現周期性變化，當變化頻率與結構自振頻率接近時，將會發生渦激共振現象，使得結構發生明顯的振動現象甚至失穩。
△超高層渦激共振
旋渦脫落頻率
在實際工程結構設計中，不同建筑截面的旋渦脫落頻率與斯托羅哈數有關：
公式中ns為完成脫落一個旋渦脫落的頻率，D為垂直于來流風向上的平面投影尺寸，U為來流平均風速。根據結構風工程研究成果，斯托羅哈數只和截面形狀和雷諾數相關。從上式可知，渦激共振只有當處于接近共振風速范圍時才會發生。在實際結構設計中，一定要避免受力結構自振頻率接近渦脫頻率！
什么是建筑結構流固耦合仿真分析？
國內外研究學者針對風場特性、結構動力特性以及結構風振位移開展了大量研究工作。其中，基于氣動彈性風洞試驗研究在實際建筑流固耦合分析中應用最為成熟，但存在縮尺比帶來的雷諾數問題、氣動彈性模型制作復雜和試驗難度大等不足之處。
△建筑風洞試驗
隨著近年來計算機效率迅速提升和計算流體力學(CFD)算法日益成熟，基于CFD和有限元動力計算方法(FEM)聯合求解的流固耦合仿真技術可以作為風洞試驗的補充，為復雜建筑定性和定量風振分析提供設計參考。
展開 轉子動力學系列（八）：軸對稱實體單元Solid272/Solid273的應用 ￥39
求該轉子模型的渦動頻率、振型、臨界轉速；并對其進行優化設計，將一階正進動臨界轉速值固定在17000rpm。
轉子構造和幾何尺寸
2結果分析
采用Solid272單元模擬得到前4階振型及坎貝爾圖如下：
采用Solid186單元模擬得到前4階振型及坎貝爾圖如下：
對比上述的渦動頻率及振型可知，Solid272與Solid186結果是一致的，兩者得到的臨界轉速分別如下：
臨界轉速/rpm
Mode-1
Mode-2
Mode-3
Mode-4
Mode-5
Solid272單元
0
14572
17134
46165
50103
Solid186單元
0
14620
17215
46181
50200
將圓盤厚度以及軸承剛度參數化，設置目標函數為一階正進動臨界轉速值Seek Target=17000，得到圓盤厚度、軸承剛度與臨界轉速的關系圖如下：
通過優化設計分析可知，當圓盤厚度取65.64mm，軸承剛度為47936N/mm時，該轉子模型的一階正進動臨界轉速為17000rpm。
展開 DYROBES 20.2軟件交流學習技巧
轉子-軸承系統的橫向振動計算分析 通過分析轉子系統應變能、動能分布情況，判斷轉子振型，以及軸承、支撐、轉子及其零部件在不同振型下運動形態和特征； 通過臨界轉速分析，得到轉子臨界轉速與支承剛度變化規律； 通過伯德圖計算由不平衡力，軸彎曲或盤傾斜等原因引起的轉子系統的穩態同步響應，可直接在圖中顯示臨界轉速及工作轉速范圍，以方便校核工作轉速是否滿足API中關于隔離裕度的要求； 通過非線性諧波響應和瞬態響應分析能得到相應的軸心軌跡圖、FFT頻譜圖、瀑布圖等； 通過穩定性分析可得到渦動速度圖、穩定性圖和渦動振型圖等。 3. 轉子-軸承系統的扭轉振動計算分析 包括扭振固有頻率和振型分析、頻率響應分析和瞬態響應分析；計算分析結果應包括：固有頻率，振型圖，坎貝爾圖，扭矩、扭轉角和扭轉應力頻率域響應和時間域響應等。 4. 各種滑動軸承和靜壓軸承的參數設計和動力學分析 輸出軸承剛度和阻尼系數，臨界軸頸質量和渦速比；具有可傾瓦軸承熱平衡計算功能，可以得到軸承的剛度、阻尼，最小油膜厚度，最大油膜壓力，油溫，功耗等相關軸承參數，給出滿足完全液體潤滑時最小供油量。 三、軟件優勢 1. 界面簡潔，操作方便 軟件基于Windows系統，界面整體布局簡潔明了，方便用戶操作。 航空發動機工程模型 2. 參數模塊化，設置準確 所有計算用到的相關參數模塊化集成，幫助用戶準確把握設置參數。 參數輸入界面集成化 3. 二維建模，修改快捷 基于梁單元節點式建模，修改便捷，幫助用戶短時間完成多種方案設計。 直接輸入或借助EXCEL建模 4. 面向工程，計算極快 軟件結合大量工程實例對計算算法進行驗證，計算準確；計算速度極快，方便用戶快速優化調整，縮短研發周期。 坎貝爾圖分析 5. 功能豐富，專業性強 軟件包含工程中常用的各種滑動軸承，止推軸承，磁力軸承，螺旋密封等專業模塊。 止推軸承和螺旋密封 6.
展開 論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
引言
螺旋槳在高速運轉時, 其槳葉會對水流造成擾動, 從而形成渦旋渦振現象, 若螺旋槳的轉速繼續增加, 其周圍水流的能量會從壓力能迅速轉換為動能, 使其動能升高, 壓強降低。當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現空化現象[1-6]。空化現象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應網格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
展開 轉子動力學系列（七）：帶支承結構的復雜轉子分析 ￥49
求該轉子系統的渦動頻率、振型、臨界轉速。
轉子系統有限元模型
2 結果分析
對于該復雜的轉子結構，采用SOLID186單元來模擬，支承結構與轉子之間在徑向采用COMBI214來模擬軸承、在軸向采用COMBIN14來約束軸向的位移。由于考慮了支承結構，振動模態較單純的轉子結構豐富，如支承結構本身的振動模態、支承與轉子結構同時振動的模態等，也會出現較多與轉速無關的振動模態。與渦動無關的振動，在坎貝爾圖上會出現某些無“FW”或“BW”標志的頻率曲線。
不考慮支承結構的結果如下：
有支承結構的結果如下：
有支承結果的振型模態更豐富：
3 分析過程
首先把轉子結構的體選擇上，用Named Selections命名為rotor。
轉子動力學系列（十）：不平衡激勵下的啟動過程瞬態轉子動力學分析
轉子動力學系列（九）：基于ANSYS Workbench的多軸轉子臨界轉速
轉子動力學系列（八）：軸對稱實體單元Solid272/Solid273的應用
轉子動力學系列（七）：帶支承結構的復雜轉子分析
轉子動力學系列（六）：考慮預應力的轉子動力學分析
轉子動力學系列（五）：隨轉速變剛度和變阻尼的模擬
轉子動力學系列（四）：不同軸承單元對比（COMBIN14和COMBI214）
轉子動力學系列（三）：不同建模單元對比（BEAM188與SOLID186）
轉子動力學系列（二）：不平衡響應分析
轉子動力學系列（一）：臨界轉速與坎貝爾圖
展開 
轉子動力學系列（六）：考慮預應力的轉子動力學分析 ￥29
軸的兩端為簡支邊界條件，求該轉子結構渦動頻率、振型、臨界轉速。
2 結果對比
結構轉動時會產生離心力，而離心力對結構變形有影響，從而影響轉動模態，因此預應力轉動結構模態分析就是考慮結構轉動時的離心力對模態的影響。不同轉子受到離心力的影響程度不同，對實際轉子應進行無預應力和有預應力的模態分析進行對比，有時離心力的影響會很大，甚至改變渦動頻率曲線的趨勢。
不考慮應力的結果如下：
考慮預應力的結果如下：
3 分析過程(APDL及Workbench)
在APDL中，預應力的模態分析是靜力學分析和模態分析交替進行，在靜力分析階段就要打開科氏開關、坎貝爾圖開關和預應力開關，并對轉動部件定于轉速，坎貝爾圖開關中的NSLOVE項與交替求解次數相同，其余過程與一般結構的有預應力模態分析相同。
具體命令流如下：
轉子動力學系列（十）：不平衡激勵下的啟動過程瞬態轉子動力學分析
轉子動力學系列（九）：基于ANSYS Workbench的多軸轉子臨界轉速
轉子動力學系列（八）：軸對稱實體單元Solid272/Solid273的應用
轉子動力學系列（七）：帶支承結構的復雜轉子分析
轉子動力學系列（六）：考慮預應力的轉子動力學分析
轉子動力學系列（五）：隨轉速變剛度和變阻尼的模擬
轉子動力學系列（四）：不同軸承單元對比（COMBIN14和COMBI214）
轉子動力學系列（三）：不同建模單元對比（BEAM188與SOLID186）
轉子動力學系列（二）：不平衡響應分析
轉子動力學系列（一）：臨界轉速與坎貝爾圖
展開 轉子動力學系列（四）：不同軸承單元對比（COMBIN14和COMBI214） ￥39
求該轉子結構渦動頻率、振型、臨界轉速。
2 彈簧單元（COMBIN14）
COMBIN14單元可以模擬線性彈簧支撐，可考慮剛度和阻尼，但不能考慮變剛度和變阻尼的情況，并且不能考慮兩個支撐方向的交叉影響。本例子采用SOLID186實體建模，在Y和Z兩個方向的支撐位置添加彈簧約束，如下圖所示：
計算得到各階坎貝爾圖及臨界轉速如下：
3 軸承單元（COMBI214）
高版本中的COMBI214單元可以代替COMBI14單元，在支撐面僅需一個COMBI214單元就可提供兩個方向的支撐剛度，較COMBIN14單元方便，而且可以考慮更多的軸承特性，如兩個支撐方向的交叉項、隨轉速的變剛度和變阻尼特性等。本例子采用SOLID186實體建模，在支撐位置添加軸承約束，如下圖所示：
計算得到各階坎貝爾圖及臨界轉速如下：
4結果對比
從上面可以看出COMBIN14和COMBI214的結果完全一致，讀者可以根據不同的需要采用不同的單元來模擬軸承。對于該例子，可以將軸承剛度從10E10N/m降至10E3N/m以考察支撐剛度的影響，結果表明當水平和豎向支撐剛度為10E10N/m時，與剛性支撐結果幾乎相等，而剛度在10E7N/m以下時，結果有顯著變化。彈性支撐剛度相同時，阻尼對臨界轉速也有影響，當阻尼系數在10E-3以下時，基本接近無阻尼的結果，而大于10E-3時結果會發生顯著改變，甚至影響到模態結果。
展開 整車風噪，三板斧就夠了嗎？
04 天窗/側窗風振
相信大家平時在開車的時候都有過這樣的經歷：如果單獨打開天窗，隨著車速的增加，會在三、四十公里/小時的時候，車內開始出現一個明顯的共振現象；但如果持續加速，大概在六、七十公里/小時的時候就會慢慢消失，這個共振現象就是我們常說的風振。風振到底是什么原因導致的呢？
當高速氣流流過天窗開口的前緣時，由于粘性和剪切，會在開口附近形成脫落渦->>脫落渦向下游發展的時候會和天窗開口的尾緣相互作用，產生聲激勵向乘員艙內輻射->>乘員艙在激勵作用下會產生聲壓響應；當此壓力響應的頻率和天窗前緣渦脫落的頻率一致的時候，會進一步激發渦脫落->>這樣前緣渦脫落和乘員艙的聲響應就形成了一個鎖定的自激振蕩，也就是我們常說的亥姆霍茲共振，即為天窗風振。當然前、后側窗單獨打開時也可能會引起風振。只是由于A柱渦流和后視鏡尾流的作用，前側窗的來流更加混亂，不易產生規則且高能的脫落渦，風振現象較弱；而后側窗的來流相對于前側窗更加光順，所以更容易出現風振現象。
上圖給出了某主機廠使用PowerFLOW進行天窗風振分析的結果。由于風振是典型的低頻共振問題，對來流工況非常敏感，因此為了準確評估風振現象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風速為橫坐標，峰值聲壓級為縱坐標，建立一條速度掃掠曲線來描述風振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結果顯示，天窗導流板顯著改善了天窗風振，且實驗和仿真的結果在整個速度掃掠區間內都吻合的非常好。
小結
通過上述的介紹，大家可以看到，影響整車風噪性能的因素有很多，而聲壓級是對數疊加，最大的噪聲源往往占據主導作用。一旦某個噪聲源的聲壓級比其它噪聲源大很多時，即便把某些次要的噪聲源完全消除，總的噪聲水平依然沒有太大的變化。所以評估整車風噪性能的時候需要更加全面和準確的考慮多個因素。三板斧雖好，不能包治百病哦。
展開 轉子動力學系列（三）：不同建模單元對比（BEAM188與SOLID186） ￥29
軸的兩端為簡支邊界條件，求該轉子結構渦動頻率、振型、臨界轉速。
2 一維模型（BEAM188）
圓盤和軸采用單一的BEAM188單元模擬，采用7個載荷步求解，轉速從0~6000r/min以1000r/min為載荷步增量，提取模態數為6，計算模型如下圖所示。
劃分網格添加簡支約束
在X軸的方向添加轉速
求解得到坎貝爾圖及臨界轉速。
3三維模型（SOLID186）
圓盤和軸采用單一的SOLID186單元模擬，同樣采用7個載荷步求解，轉速從0~6000r/min以1000r/min為載荷步增量，提取模態數為6，計算模型如下圖所示。
劃分網格添加簡支約束
在X軸的方向添加轉速
求解得到坎貝爾圖及臨界轉速。
4結果對比
剛性支撐時分別用BEAM188和SOLID186單元建模的臨界轉速結果如下
臨界轉速（r/min）
BEM188
SOLID186
1
1268.3
1237.3
2
1352.9
1318.3
3
3432.0
3372.1
4
4542.2
4364.2
5
5126.9
4903.0
6
5448.2
5358.5
因考慮陀螺效應（回轉效應）的單元算法不同、邊界條件難以完全一致、坎貝爾圖采用圖解算法確定臨界轉速等原因，采用BEAM188和SOLID186單元建模得到的計算結果必然存在一定的誤差，但是從振型上看，計算結果是基本一致的。
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