渦激共振的案例
斜拉索那點事兒（四）——斜拉索的振動
拉索的風致振動
1
渦激共振
在風的作用下，拉索從振動的風中吸收能量，產生一種帶有自激特點的受迫振動，在拉索上表現為因漩渦脫落而引起的渦激共振。
當流體繞過圓柱體后，在尾流中將出現交替脫落的漩渦，且漩渦的頻率，風速，圓柱體的直徑之間存在以下關系：
這就是著名的斯托羅哈數，由Strouhal于1898年提出。
漩渦脫落頻率：
下圖是雷諾數和漩渦脫落的關系：
如果被繞流的拉索是振動體，周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動（Vortex-induced Vibration），當漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時，將發生渦激共振。
由于拉索長度一般在50~400m之間，拉索的基頻在0.25~2Hz之間，隨長度而異。由共振條件：漩渦脫落頻率與拉索頻率一致。可知，能發生渦激共振的臨界風速為：
拉索的外徑約為0.2左右，拉索的一階渦激共振的臨界風速僅有0.25~2m/s如此低的風速所能產生的渦激力將難以提供激起拉索低階大幅度振動的能量，故而，一般而言，拉索的渦激共振一般發生在較高階的振動，對于長拉索高達十幾階的高頻振動。
從上式可以發現，漩渦脫落頻率和風速程線性關系，共振也只在拉索某一階頻率對應的某一個風速才發生。但實際上，當漩渦脫落頻率與某一階頻率接近時，將引起被繞流物體較大的振動，物體和流體之間便開始了劇烈的相互作用，拉索振動體系將對風的漩渦脫落產生反饋作用，使得漩渦脫落頻率在相當長的風速范圍內被拉索固有頻率“俘獲”，一般稱為“鎖定（Lock-on）現象”，這就使得渦激共振的風速范圍擴大。
展開 別為“渦激振動”這點事兒擔心
這個“渦激振動”究竟是個什么鬼？！
其實，“渦激振動”算不上什么鬼，它與后來風機的運行也沒有什么關系。
舉個例子，把一根蘆葦桿插入水流，水流經過它之后會產生渦旋，葦桿隨之晃動，而且葦桿越高晃動越厲害，這種自然現象就是“渦激振動”。
這是為什么呢？學術點解釋，一定條件下的穩定來流繞過規則物體時，物體兩側會周期性地產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象被稱作“渦激振動”。換句話說，只要發生邊界層脫離，就可能出現“渦激振動”，只是流體繞流圓柱體這類規則物體時產生的“渦激振動”現象會更明顯。
具體到塔筒上，其實低塔筒也有“渦激振動”，只不過同樣的來流情景下沒有高塔筒明顯而已，但風速條件一旦具備，它肯定會振動給你看的。為什么有經驗的師傅在實施普通塔筒吊裝作業過程中，一旦遇到空塔筒過夜情況，總是將吊車的吊鉤鉤住塔筒，就是避免夜里很長時間內可能的大風和塔筒產生“渦激振動”。
為什么“渦激振動”在高低塔筒上的表現會有那么大反差呢？
原因在于低塔筒頻率高，來流所產生的脈動推力和塔筒產生共振的幾率比較低，所以在一般允許吊裝條件的風速下，這種振動完全可以忽略不計，但高塔筒的情景就不同了，由于塔筒增高而其頻率降低了，同樣來流的脈動推力和高塔筒產生共振的幾率變高，所以高塔筒的“晃動”就惹人眼球了。
善意提醒的是，“渦激共振”的現象僅會出現在機艙風輪沒有安裝的階段，因為在風輪安裝后，就沒有“渦激振動”產生的前提條件了。當然，在吊裝階段消除“渦激共振”并不是問題，國內外早有成熟的解決方案。為讓你別擔心“渦激振動”這件事，介紹幾種消除渦激共振的方案。
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！
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 斜拉橋拉索的振動及其減振措施
渦激共振
在風的作用下，風繞過圓柱體后，在尾流中將出現交替脫落的漩渦。周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動，當漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時，將發生渦激共振。渦激共振有以下特征：
渦激共振是一種有限振幅的振動；
渦激共振只在一個或幾個風速區域內發生，存在風速鎖定區；
渦激共振響應對斷面形狀的微小變化很敏感。
2. 風雨激振
在風和雨的共同作用下，由于拉索表面水線的出現，改變了拉索的截面形狀，使其失去在氣流中的穩定性，由此使得拉索很容易發生一種大幅振動。這種振動就稱為風雨激振（也稱風雨振），這也是斜拉索風致振動中最強烈的一種。由于風雨激振是結構、風、雨三者相互作用產生的結果，使得風雨激振的振動機理比較復雜。風雨振動特征有：
拉索風雨振的振幅遠大于其他風致振動的振幅，大多數情況下拉索風雨振的振幅幅值能達到2倍索直徑，個別甚至達到5倍左右索直徑，有的可能會導致相鄰拉索相互碰撞。
發生風雨振的拉索頻率一般在0.3~3Hz之間，多模態同時被激勵，頻率成分較多。
3.
展開 
賽格大廈振動的原因是什么？專業分析
那么后面我們分析，在大樓天臺的桅桿的獨立振動，有三個主要頻率，第一個頻率是1.6赫茲，第二個頻率是1.9赫茲，第三個頻率是2.1赫茲，2.1赫茲所激發起來的振動跟昨天大樓所表現出來的振動是一致的，所以我們是基于這樣的一個判斷，
認為大樓的振動是由于樓頂桅桿的渦激共振所引起的。
我們從現場實測的風速情況，也大致可以做出這樣的判斷。在大樓的天臺上，深圳市氣象局安裝了超聲風速儀，上面顯示當時的最大風速大約在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，所以上面的風速超過10米是很自然的。
桅桿的直徑大約在1.3米，基于我們風工程的一些基本理論，我們知道對這樣圓形的桅桿，1.3米直徑，其渦激共振的臨界風速大約在12m/s左右，都是跟現場實測的風速可以有印證關系的，所以才得出這樣的一個結論。
問：
能不能請您科普一下曾經發生過振動的高層建筑、橋梁事件，其中涉及哪些科學原理？
肖教授：
我先說一下高層建筑，比如說像2018年的臺風山竹過來的時候，深圳有好多的高層建筑都產生了比較大的一個振動。
但是實際上這個振動它也不會引起結構的安全問題，這個振動是風的脈動成分激勵起工程結構的一個強迫振動的效果。對于像平安大廈這樣的一個將近600米高的一個大樓，它在風作用下即便產生一米的位移也仍然是安全的。
第二個就是像我們賽格廣場，賽格昨天出現的情況是不常見的，雖然我們可以用工程原理去解釋，但不是經常出現的。
它是高階振型被激發起來，而不像一般的大樓的振動，都是低階振型更容易激發起來。怎么判斷低階振型跟高階振型呢？
展開 叉型懸臂梁渦街振動數值仿真 ￥500
</p><p>渦激振動是由于漩渦的交替脫落，產生脈動載荷，當其與結構固有頻率接近時，會導致結構在外載荷作用下出現共振，即所謂的渦激共振。</p><p>本案例建立了一叉型懸臂梁結構模型，并基于COMSOL軟件的流-固耦合方法模擬了叉型懸臂梁渦街振動過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202302/4ba065906b50463db1641ac8652bb607.gif" alt="Untitled.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>速度場及梁振動的變化</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202302/93196be1a7d84366961338181a9f42b5.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>渦流場的分布變化</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p>
展開 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 流體力學現象之-”卡門渦街“
—部份航空工程師認為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振；而以馮卡門為代表的流體力學家認為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應該用渦激共振機理來解釋。馮·卡門1954年在《空氣動力學的發展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設計的人想建造一個較便宜的結構，采用了平鈑來代替桁架作為邊墻。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發放，使橋身開始扭轉振動。這一大橋的破壞現象，是振動與渦旋發放發生共振而引起的。
20世紀60年代，經過計算和實驗，證明了馮·卡門的分折是正確的。塔科瑪橋的風毀事故，是一定流速的流體流經邊墻時，產生了卡門渦街；卡門渦街后渦的交替發放，會在物體上產生垂直于流動方向的交變側向力，迫使橋梁產生振動，當發放頻率與橋梁結構的固有頻率相耦合時，就會發生共振，造成破壞。
展開 國內首座獨柱分離式主梁鋼塔斜拉橋
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。當由靜風、溫度和汽車引起的塔梁相對縱向位移，在阻尼器設計行程以內時，不約束主梁運動。
過渡墩及輔助墩處設置縱向滑動拉拔支座，并限制橫向位移。
展開 斜拉索那點事兒（五）——斜拉索的減振
采用輔助索尚有以下問題需要注意：
1
少數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，風雨振的減振效果也不理想。因為根據觀測的實橋資料，雨振多發生在3Hz以下的拉索上，如果采用輔助索使長索的頻率提高到3Hz以上，這樣會帶來很多問題。
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振動時輔助索要受到很大的力，這就意味著輔助索本身和輔助索與拉索的連接處要受到很大的力，由此引起的輔助索的疲勞、拉索連接處PE管的損傷以及連接處的松弛等問題要特別引起注意。
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抗風連接器和拉索的連接方式可分為鉸接和剛接兩種。采用鉸接時，在拉索微幅振動情況下，連接器的設置基本上不引起體系動力特性的改變，如果不在連接器中加人高阻尼的機構，則減振效果不明顯;當振動幅值大于拉索直徑時，連接器和上風向側的拉索禍合振動，但由此產生的質量效果、氣流變化帶來的激振力變化尚不明了。當采用剛接時，必須考慮操作時不得損傷拉索的PE管套，并注意連接器中相當大的初始應力產生的疲勞間題。
4
三根以上平行拉索的連接器形成了空間析架結構，連接器的設置可使拉索的振動分為拉索體系的振動和次生跨度拉索的振動兩種。由于質量效果和氣動效果的相互配合不會再出現由尾流引起的整體扭轉振動，可以完全防止下流側拉索的風振。而次生跨度內的拉索尾流振動則可用增加連接器的數量將振動控制在微小振幅的范圍之內。
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目前，還沒有很好的輔助纜索伸縮阻尼計算模式，需要進一步的研究，以便較高精度地計算阻尼值，從而分析減振效果。多個連接器布置時，連接器的間距對制振效果的影響目前也沒有定論，尚需進一步研究。輔助索法減振，目前的設計、施工多依照經驗，由此發生了不少斷索的事故。
展開 什么是風洞 | 帶你了解風洞實驗的一些小知識
7、紊流雷諾數
紊流雷諾數為：流體的慣性力和紊流粘性力之比
8、流動分離
分離層中會形成離散的旋渦，并脫落到鈍體后方的氣流中，這些旋渦使得分離點（如拐角或房檐等）附近出現非常大的吸力
9、尖緣平板二維繞流
粘性力起主要作用流動沒有分離
慣性力的作用開始顯露在尖角處發生分離形成兩個對稱、附著的大旋渦
10、渦激共振
當氣流繞過結構時會在結構兩側背后尾流中產生交替脫落的旋渦，使結構表面的壓力產生周期性的變化，從而在結構上產生周期性的橫風向、順風向凈作用力和凈扭矩，即渦激力
風洞簡介
風洞的定義：
風洞是指一個按一定要求設計的、具有動力裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統
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渦激振動來源與趣談
胡須在食物魚類產生的繞流中，會發生共振，由此大大提供捕食的成功幾率。
人類正試圖利用渦激振動來進行風力發電機。如若成功，不需要齒輪傳動裝置的風力發電機，可以大大節約生產制及維護成本。因為可以直接利用風對高大鈍體產生的渦激振動，利用振動產生的機械能發電。
