渦激共振
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-05
渦激共振的實(shí)例教程
拉索的風(fēng)致振動(dòng)
1
渦激共振
在風(fēng)的作用下，拉索從振動(dòng)的風(fēng)中吸收能量，產(chǎn)生一種帶有自激特點(diǎn)的受迫振動(dòng)，在拉索上表現(xiàn)為因漩渦脫落而引起的渦激共振。
當(dāng)流體繞過(guò)圓柱體后，在尾流中將出現(xiàn)交替脫落的漩渦，且漩渦的頻率，風(fēng)速，圓柱體的直徑之間存在以下關(guān)系：
這就是著名的斯托羅哈數(shù)，由Strouhal于1898年提出。
漩渦脫落頻率：
下圖是雷諾數(shù)和漩渦脫落的關(guān)系：
如果被繞流的拉索是振動(dòng)體，周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動(dòng)（Vortex-induced Vibration），當(dāng)漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。
由于拉索長(zhǎng)度一般在50~400m之間，拉索的基頻在0.25~2Hz之間，隨長(zhǎng)度而異。由共振條件：漩渦脫落頻率與拉索頻率一致。可知，能發(fā)生渦激共振的臨界風(fēng)速為：
拉索的外徑約為0.2左右，拉索的一階渦激共振的臨界風(fēng)速僅有0.25~2m/s如此低的風(fēng)速所能產(chǎn)生的渦激力將難以提供激起拉索低階大幅度振動(dòng)的能量，故而，一般而言，拉索的渦激共振一般發(fā)生在較高階的振動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)拉索高達(dá)十幾階的高頻振動(dòng)。
從上式可以發(fā)現(xiàn)，漩渦脫落頻率和風(fēng)速程線性關(guān)系，共振也只在拉索某一階頻率對(duì)應(yīng)的某一個(gè)風(fēng)速才發(fā)生。但實(shí)際上，當(dāng)漩渦脫落頻率與某一階頻率接近時(shí)，將引起被繞流物體較大的振動(dòng)，物體和流體之間便開(kāi)始了劇烈的相互作用，拉索振動(dòng)體系將對(duì)風(fēng)的漩渦脫落產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫沟娩鰷u脫落頻率在相當(dāng)長(zhǎng)的風(fēng)速范圍內(nèi)被拉索固有頻率“俘獲”，一般稱(chēng)為“鎖定（Lock-on）現(xiàn)象”，這就使得渦激共振的風(fēng)速范圍擴(kuò)大。
展開(kāi) 這個(gè)“渦激振動(dòng)”究竟是個(gè)什么鬼？！
其實(shí)，“渦激振動(dòng)”算不上什么鬼，它與后來(lái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行也沒(méi)有什么關(guān)系。
舉個(gè)例子，把一根蘆葦桿插入水流，水流經(jīng)過(guò)它之后會(huì)產(chǎn)生渦旋，葦桿隨之晃動(dòng)，而且葦桿越高晃動(dòng)越厲害，這種自然現(xiàn)象就是“渦激振動(dòng)”。
這是為什么呢？學(xué)術(shù)點(diǎn)解釋?zhuān)欢l件下的穩(wěn)定來(lái)流繞過(guò)規(guī)則物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地產(chǎn)生脫離其表面的渦旋，也就是所謂的邊界層脫離，這種流體與物體相互作用的現(xiàn)象被稱(chēng)作“渦激振動(dòng)”。換句話說(shuō)，只要發(fā)生邊界層脫離，就可能出現(xiàn)“渦激振動(dòng)”，只是流體繞流圓柱體這類(lèi)規(guī)則物體時(shí)產(chǎn)生的“渦激振動(dòng)”現(xiàn)象會(huì)更明顯。
具體到塔筒上，其實(shí)低塔筒也有“渦激振動(dòng)”，只不過(guò)同樣的來(lái)流情景下沒(méi)有高塔筒明顯而已，但風(fēng)速條件一旦具備，它肯定會(huì)振動(dòng)給你看的。為什么有經(jīng)驗(yàn)的師傅在實(shí)施普通塔筒吊裝作業(yè)過(guò)程中，一旦遇到空塔筒過(guò)夜情況，總是將吊車(chē)的吊鉤鉤住塔筒，就是避免夜里很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可能的大風(fēng)和塔筒產(chǎn)生“渦激振動(dòng)”。
為什么“渦激振動(dòng)”在高低塔筒上的表現(xiàn)會(huì)有那么大反差呢？
原因在于低塔筒頻率高，來(lái)流所產(chǎn)生的脈動(dòng)推力和塔筒產(chǎn)生共振的幾率比較低，所以在一般允許吊裝條件的風(fēng)速下，這種振動(dòng)完全可以忽略不計(jì)，但高塔筒的情景就不同了，由于塔筒增高而其頻率降低了，同樣來(lái)流的脈動(dòng)推力和高塔筒產(chǎn)生共振的幾率變高，所以高塔筒的“晃動(dòng)”就惹人眼球了。
善意提醒的是，“渦激共振”的現(xiàn)象僅會(huì)出現(xiàn)在機(jī)艙風(fēng)輪沒(méi)有安裝的階段，因?yàn)樵陲L(fēng)輪安裝后，就沒(méi)有“渦激振動(dòng)”產(chǎn)生的前提條件了。當(dāng)然，在吊裝階段消除“渦激共振”并不是問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外早有成熟的解決方案。為讓你別擔(dān)心“渦激振動(dòng)”這件事，介紹幾種消除渦激共振的方案。
展開(kāi) 對(duì)于一般高層建筑，通常發(fā)生順風(fēng)向抖振和橫風(fēng)向渦激振動(dòng)。由經(jīng)典的圓柱繞流問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)，建筑截面在風(fēng)作用下將在橫風(fēng)向產(chǎn)生交替的旋渦，形成兩側(cè)交替脫落的現(xiàn)象。
△卡門(mén)渦街
這種卡門(mén)渦街現(xiàn)象使得結(jié)構(gòu)表面橫向風(fēng)壓出現(xiàn)周期性變化，當(dāng)變化頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時(shí)，將會(huì)發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的振動(dòng)現(xiàn)象甚至失穩(wěn)。
△超高層渦激共振
旋渦脫落頻率
在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不同建筑截面的旋渦脫落頻率與斯托羅哈數(shù)有關(guān)：
公式中ns為完成脫落一個(gè)旋渦脫落的頻率，D為垂直于來(lái)流風(fēng)向上的平面投影尺寸，U為來(lái)流平均風(fēng)速。根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究成果，斯托羅哈數(shù)只和截面形狀和雷諾數(shù)相關(guān)。從上式可知，渦激共振只有當(dāng)處于接近共振風(fēng)速范圍時(shí)才會(huì)發(fā)生。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要避免受力結(jié)構(gòu)自振頻率接近渦脫頻率！
什么是建筑結(jié)構(gòu)流固耦合仿真分析？
國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)風(fēng)振位移開(kāi)展了大量研究工作。其中，基于氣動(dòng)彈性風(fēng)洞試驗(yàn)研究在實(shí)際建筑流固耦合分析中應(yīng)用最為成熟，但存在縮尺比帶來(lái)的雷諾數(shù)問(wèn)題、氣動(dòng)彈性模型制作復(fù)雜和試驗(yàn)難度大等不足之處。
△建筑風(fēng)洞試驗(yàn)
隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)效率迅速提升和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)算法日益成熟，基于CFD和有限元?jiǎng)恿τ?jì)算方法(FEM)聯(lián)合求解的流固耦合仿真技術(shù)可以作為風(fēng)洞試驗(yàn)的補(bǔ)充，為復(fù)雜建筑定性和定量風(fēng)振分析提供設(shè)計(jì)參考。
展開(kāi) 渦激共振
在風(fēng)的作用下，風(fēng)繞過(guò)圓柱體后，在尾流中將出現(xiàn)交替脫落的漩渦。周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動(dòng)，當(dāng)漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。渦激共振有以下特征：
渦激共振是一種有限振幅的振動(dòng)；
渦激共振只在一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)速區(qū)域內(nèi)發(fā)生，存在風(fēng)速鎖定區(qū)；
渦激共振響應(yīng)對(duì)斷面形狀的微小變化很敏感。
2. 風(fēng)雨激振
在風(fēng)和雨的共同作用下，由于拉索表面水線的出現(xiàn)，改變了拉索的截面形狀，使其失去在氣流中的穩(wěn)定性，由此使得拉索很容易發(fā)生一種大幅振動(dòng)。這種振動(dòng)就稱(chēng)為風(fēng)雨激振（也稱(chēng)風(fēng)雨振），這也是斜拉索風(fēng)致振動(dòng)中最強(qiáng)烈的一種。由于風(fēng)雨激振是結(jié)構(gòu)、風(fēng)、雨三者相互作用產(chǎn)生的結(jié)果，使得風(fēng)雨激振的振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜。風(fēng)雨振動(dòng)特征有：
拉索風(fēng)雨振的振幅遠(yuǎn)大于其他風(fēng)致振動(dòng)的振幅，大多數(shù)情況下拉索風(fēng)雨振的振幅幅值能達(dá)到2倍索直徑，個(gè)別甚至達(dá)到5倍左右索直徑，有的可能會(huì)導(dǎo)致相鄰拉索相互碰撞。
發(fā)生風(fēng)雨振的拉索頻率一般在0.3~3Hz之間，多模態(tài)同時(shí)被激勵(lì)，頻率成分較多。
3.
展開(kāi) 那么后面我們分析，在大樓天臺(tái)的桅桿的獨(dú)立振動(dòng)，有三個(gè)主要頻率，第一個(gè)頻率是1.6赫茲，第二個(gè)頻率是1.9赫茲，第三個(gè)頻率是2.1赫茲，2.1赫茲所激發(fā)起來(lái)的振動(dòng)跟昨天大樓所表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)是一致的，所以我們是基于這樣的一個(gè)判斷，
認(rèn)為大樓的振動(dòng)是由于樓頂桅桿的渦激共振所引起的。
我們從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速情況，也大致可以做出這樣的判斷。在大樓的天臺(tái)上，深圳市氣象局安裝了超聲風(fēng)速儀，上面顯示當(dāng)時(shí)的最大風(fēng)速大約在10米每秒左右。考慮到它的安裝位置是離樓頂大約兩米左右的高度，桅桿要比樓頂高幾十米，所以上面的風(fēng)速超過(guò)10米是很自然的。
桅桿的直徑大約在1.3米，基于我們風(fēng)工程的一些基本理論，我們知道對(duì)這樣圓形的桅桿，1.3米直徑，其渦激共振的臨界風(fēng)速大約在12m/s左右，都是跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速可以有印證關(guān)系的，所以才得出這樣的一個(gè)結(jié)論。
問(wèn)：
能不能請(qǐng)您科普一下曾經(jīng)發(fā)生過(guò)振動(dòng)的高層建筑、橋梁事件，其中涉及哪些科學(xué)原理？
肖教授：
我先說(shuō)一下高層建筑，比如說(shuō)像2018年的臺(tái)風(fēng)山竹過(guò)來(lái)的時(shí)候，深圳有好多的高層建筑都產(chǎn)生了比較大的一個(gè)振動(dòng)。
但是實(shí)際上這個(gè)振動(dòng)它也不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題，這個(gè)振動(dòng)是風(fēng)的脈動(dòng)成分激勵(lì)起工程結(jié)構(gòu)的一個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)的效果。對(duì)于像平安大廈這樣的一個(gè)將近600米高的一個(gè)大樓，它在風(fēng)作用下即便產(chǎn)生一米的位移也仍然是安全的。
第二個(gè)就是像我們賽格廣場(chǎng)，賽格昨天出現(xiàn)的情況是不常見(jiàn)的，雖然我們可以用工程原理去解釋?zhuān)皇墙?jīng)常出現(xiàn)的。
它是高階振型被激發(fā)起來(lái)，而不像一般的大樓的振動(dòng)，都是低階振型更容易激發(fā)起來(lái)。怎么判斷低階振型跟高階振型呢？
展開(kāi) 
渦激共振的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
渦激共振的最新內(nèi)容
</p><p>渦激振動(dòng)是由于漩渦的交替脫落，產(chǎn)生脈動(dòng)載荷，當(dāng)其與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在外載荷作用下出現(xiàn)共振，即所謂的渦激共振。
這些旋渦使得分離點(diǎn)（如拐角或房檐等）附近出現(xiàn)非常大的吸力
9、尖緣平板二維繞流
粘性力起主要作用流動(dòng)沒(méi)有分離
慣性力的作用開(kāi)始顯露在尖角處發(fā)生分離形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)、附著的大旋渦
10、渦激共振
橋梁渦激共振的有限振幅計(jì)算是一個(gè)十分重要但又異常困難的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成一套比較完整的橋梁渦振分析理論。
實(shí)用上，采用一種半理論半實(shí)驗(yàn)的方法，以近似地估算渦激共振的振幅。
專(zhuān)家組通過(guò)技術(shù)調(diào)查、環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行調(diào)查與測(cè)試，排除了地鐵運(yùn)行、周邊工程施工或爆破、空調(diào)機(jī)組運(yùn)行等影響因素；且通過(guò)對(duì)風(fēng)致振動(dòng)與結(jié)構(gòu)累積損傷的重點(diǎn)分析，專(zhuān)家組認(rèn)為：桅桿風(fēng)致渦激共振和大廈及桅桿動(dòng)力特性改變的耦合，造成了賽格廣場(chǎng)大廈的有感振動(dòng)。
1、桅桿風(fēng)致渦激共振是引發(fā)大廈有感振動(dòng)的主要外因和直接原因。
一是對(duì)桅桿開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)力性能測(cè)試和分析。
那么后面我們分析，在大樓天臺(tái)的桅桿的獨(dú)立振動(dòng)，有三個(gè)主要頻率，第一個(gè)頻率是1.6赫茲，第二個(gè)頻率是1.9赫茲，第三個(gè)頻率是2.1赫茲，2.1赫茲所激發(fā)起來(lái)的振動(dòng)跟昨天大樓所表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)是一致的，所以我們是基于這樣的一個(gè)判斷，
認(rèn)為大樓的振動(dòng)是由于樓頂桅桿的渦激共振所引起的。
我們從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速情況，也大致可以做出這樣的判斷。
通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，證明本橋獨(dú)柱塔無(wú)馳振這一發(fā)散的危險(xiǎn)性振動(dòng)，但在特定風(fēng)速下，在橋塔自立狀態(tài)（即塔柱施工完掛斜拉索之前），可能產(chǎn)生較大振幅的渦激共振。進(jìn)一步的風(fēng)洞試驗(yàn)研究表明，通過(guò)提高獨(dú)柱鋼塔的阻尼比，可以有效地減小渦振振幅。我國(guó)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.5%，但實(shí)測(cè)的國(guó)內(nèi)泰州大橋鋼中塔及日本的許多鋼塔，阻尼比均小于0.5%。
善意提醒的是，“渦激共振”的現(xiàn)象僅會(huì)出現(xiàn)在機(jī)艙風(fēng)輪沒(méi)有安裝的階段，因?yàn)樵陲L(fēng)輪安裝后，就沒(méi)有“渦激振動(dòng)”產(chǎn)生的前提條件了。當(dāng)然，在吊裝階段消除“渦激共振”并不是問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外早有成熟的解決方案。為讓你別擔(dān)心“渦激振動(dòng)”這件事，介紹幾種消除渦激共振的方案。
圓形塔筒壁在CFD分析中的“渦流激蕩”
根據(jù)渦流激振產(chǎn)生的原理，擾亂渦流便可有效抑制塔筒振動(dòng)。
渦激共振有以下特征：
渦激共振是一種有限振幅的振動(dòng)；
渦激共振只在一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)速區(qū)域內(nèi)發(fā)生，存在風(fēng)速鎖定區(qū)；
渦激共振響應(yīng)對(duì)斷面形狀的微小變化很敏感。
2.
海洋石油隔水管，其圓柱狀的彈性管體，使漩渦非對(duì)稱(chēng)的脫落形成側(cè)向力，側(cè)向力作用于彈性管體，使其發(fā)生變形，這個(gè)變形又反過(guò)來(lái)影響漩渦的周期性發(fā)放，最終使管體發(fā)生共振；歷史上有塔科馬海峽吊橋，便是因?yàn)?em>渦激振動(dòng)產(chǎn)生了共振而倒塌。
《老子》寫(xiě)道，水善利萬(wàn)物而不爭(zhēng)。渦激振動(dòng)有利用的地方嗎？其實(shí)魚(yú)在水中游動(dòng)，產(chǎn)生繞流，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率；顯然，金魚(yú)和鯊魚(yú)不在一個(gè)量級(jí)，海洋中不同魚(yú)種互不串臺(tái)。
采用輔助索尚有以下問(wèn)題需要注意：
1
少數(shù)的輔助索并不能使頻率有很大的提高，即使有提高，如果不涉及渦激共振，風(fēng)雨振的減振效果也不理想。因?yàn)楦鶕?jù)觀測(cè)的實(shí)橋資料，雨振多發(fā)生在3Hz以下的拉索上，如果采用輔助索使長(zhǎng)索的頻率提高到3Hz以上，這樣會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。
