渦激振動的案例
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 橋梁渦激振動問題的ABAQUS數值模擬
研究背景
2020年虎門大橋的振動引起了學術界和網民的廣泛關注和討論。許多土木工程領域的學者首先指出，這應該是比較常見的大跨度橋梁的渦激振動，對橋梁的破壞并不劇烈。然而，許多自媒體引用了1940年塔科馬大橋的倒塌事件來說明渦激振動的嚴重性和破壞性。簡單搜索一下"渦激振動"、"卡門渦街"和"塔科馬大橋"，就會發現"卡門渦旋誘發了結構失穩，顫振是塔科馬大橋倒塌的原因"這一描述。
當流體在障礙物周圍流動時，會發生周期性的渦脫落，這就產生了所謂的渦街。由于馮·卡門（美國航天之父，錢學森的導師）最先研究該現象，故被命名為卡門渦街。卡門渦街在自然界中經常出現，經典的圓柱障礙物卡門渦街數值模擬，對理解卡門渦街對各種技術應用很有意義。
圖1 圓柱障礙物的卡門渦街模擬圖
實際上，如圖2所示流體在繞過不同形狀障礙物時的表現不完全一樣，簡單用圓柱形狀對障礙物進行簡化是不準確的。因此，卡門渦街的工程分析需考慮研究對象真實的幾何形狀，獲得的模擬結果結合風洞試驗可為工程實踐中橋梁結構設計提供有效的指導。
圖2 流體繞過不同障礙物的卡門渦街模擬圖
2. 研究對象
以某懸索橋梁為研究對象，三維的橋梁可以簡單看作橋梁橫截面在縱向上的拉伸，因此簡化為如圖3所示的二維問題。
圖3 某懸索橋梁的橫截面
3. 有限元建模
采用<a href="/major/ABAQUS CFD模塊進行建模和計算，懸索橋梁在持續8級強風（速度20m/s）作用下的渦激振動有限元模型如圖4所示，邊界條件如圖5所示。
圖4 橋梁渦激振動的有限元模型
圖5 橋梁渦激振動的邊界條件
4. 計算結果
速度場計算結果如圖6所示，在橋梁上下選擇兩個對稱點測量速度隨著時間的變化如圖7所示。
展開 渦激振動來源與趣談
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。
分享：渦激振動VIV
對于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結構物，這種交替發放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發生彈性變形，那么脈動流體力將引發柱體(管體)的周期性振動，這種規律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發放形態。這種流體一結構物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統作為一個統一的動力系統加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用于彈性系統的外加載荷，動壓力的大小取決于彈性系統振動的位移、速度和加速度;另一方面，
流體動壓力的作用又會改變彈性系統振動的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質表現為流體對于彈性系統在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現象。
由慣性耦合產生附連質量，在有流速場存在的條件下，由阻尼耦合產生附連阻尼，由彈性耦合產生附連剛度。流體的附連質量、阻尼和剛度取決于流場的流動特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統的特性，其關系式相當復雜。用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。實驗證明，漩渦的發放頻率f可用無量綱參數斯特勞哈爾數St（Strouhal Number）來表示，表達式為：
f=St*V/D
St是構件剖面形狀與雷諾數Re的函數，其定義式為St=D/（V*T）。
其中：V為垂直于構件軸線的速度（m/s）；
D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；
T為相關的特征時間（s）。
目前，主要的研究方法有三種：
1，實驗方法
瀉渦脫落引發的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的復雜過程。
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技術方案
適用場景
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本地耦合（基于 ABAQUS/CFD）
基礎流固耦合分析（如共軛傳熱），需適配 6.10-2016 版本
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多物理場（基于 CEL/SPH/ALE）
高速流體沖擊、彈體入水、波浪船體耦合等復雜場景
拆解網格劃分、自由表面處理、邊界條件優化等核心難點，提供航天級項目的建模思路
協同仿真（基于 MpCCI/CSE）
大型風場分析、橋梁渦激振動、跨軟件聯合仿真（如對接 STAR-CCM+/Fluent）
詳解 MpCCI 平臺操作、CSE 接口調用，結合 “虎門大橋渦激振動” 等標桿項目，傳授協同仿真的工程化方法
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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
減少渦流脫落：使用 CFD 模擬和分析振蕩流型
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
渦旋脫落及其影響
共振頻率和渦激振動在故障分析中的作用
使用 CFD 工具分析渦旋脫落行為
旋渦脫落模擬示例
由于速度差異形成渦流，導致流體呈螺旋狀運動。您可能已經在盆地中以龍卷風或漩渦的形式觀察到這種現象。在空氣動力學中，空氣在穿過機翼時會形成類似的模式。對于流過管道的水，在流體動力學中也存在類似的現象。
當流體流過阻流體并在其后面形成渦流時，就會發生渦流脫落。流動的性質會導致流體不規則分離并引起物體振動，從而導致故障。因此，減少渦流脫落很重要。使用 CFD 工具，可以模擬渦流脫落、分析其行為并相應地優化設計。
了解渦流脫落
為了解釋這種現象，已經進行了多項研究來分析工業煙囪等結構在風流過時的行為。當由鋼制成的塔或煙囪等高大結構遇到以相當大的速度吹來的風時，結構的下側會形成低壓區。當風流繼續超出結構屏障時會發生渦流脫落，從而產生振動效果。這種振動可能導致結構的嚴重損壞和故障。
同樣的概念也適用于管流，其中熱電偶套管或接頭（T 型接頭或角接頭）等組件充當鈍體。這是流動路徑改變的地方，導致渦流脫落。當渦旋脫落的頻率與管道系統的固有頻率相匹配時，很可能發生振動和失效。
渦流脫落導致管道系統疲勞
連續振蕩或渦激振動 (VIV)會使管道系統容易出現多個應力循環。隨著疲勞因應力而累積，可能會出現裂紋，最終導致整個系統失效。考慮到在雷諾數范圍很廣時可能發生渦旋脫落，確定故障何時發生可能很困難。
然而，可以確定渦旋脫落發生的頻率。該值取決于斯特勞哈爾數——描述流體流動振蕩機制的因素。
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專項案例實操：聚焦工程實際場景：課程精選大量貼近工程的流固耦合案例，每個案例均實現 “理論拆解 - 全流程操作 - 問題解決” 的深度覆蓋：
1) 案例一：虎門大橋渦激振動 - 流場分析。先講解渦激振動的流體力學原理（卡門渦街形成機制），再演示流場建模（風場參數設置、結構振動監測點布置）、耦合分析設置（流場與結構的動力耦合參數），最后通過結果分析（流場速度云圖、結構振動位移曲線），復盤理論與操作的對應關系，幫你理解流場特性如何影響結構響應；
2) 案例二：高速流體沖擊分析。先講解高速流體的動量傳遞理論、沖擊載荷的計算原理，再演示流體域定義（EOS 狀態方程選擇）、沖擊邊界設置（速度 / 壓力載荷施加）、求解控制（時間步長調整以捕捉瞬時沖擊），最后通過結果（結構應力分布、流體壓力變化）驗證理論與操作的一致性。
3. 實操輔助：保障學習效果落地：技術鄰課程為每一個實操案例配套完整的學習資料，包括：
1) 操作視頻：完整錄制從建模到求解的全流程操作，標注關鍵步驟的理論依據；
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3) CAE 模型：提供可直接打開的完整模型，方便你對照修改、反復練習，將理論知識轉化為實際操作能力。
四、技術鄰平臺的額外保障
1. 基礎要求友好：課程僅需你具備 Abaqus 軟件基本操作和 inp 文件結構的基礎認知，無需提前掌握復雜的流體力學知識，從適合結構工程師的起點開展教學，降低學習門檻。
2. 定制化服務支持：若你有特定的流體基礎薄弱點或感興趣的流固耦合方向，可通過技術鄰平臺與講師溝通，講師會在課程中針對性補充相關理論與操作內容，確保學習更精準。
3.
展開 CFX二自由度渦激振動模擬分析。
HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
P-FSI案例
海洋工程上采用的圓柱形斷面結構物，在洋流沖刷下產生周期性脫落的旋渦，由此產生脈動壓力，引發結構的周期性振動，這種規律性的管體振動反過來又會改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結構模態吻合，振幅會達到最大。這種現象也稱為“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
安裝了擾流片的海工結構
AcuSolve的ALE動網格
圓形截面管振動幅度較大
安裝擾流片改變了卡門渦頻率，從而減少了結構振幅
射流主動控制技術
除了安裝擾流片，也可以在結構的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應。
圓柱繞流的卡門渦
無射流控制
有射流控制
流體側向力的時間歷程曲線
無射流控制（藍色），有射流控制（紅色）
大型的結構或建筑也要考慮風載荷的激勵。一方面改變風渦脫落頻率，或者通過安裝加強筋，配重等手段改變結構的固有頻率，避免嚴重的VIV現象。
案例：風力發電機的葉片在強風下產生顯著變形，不僅會改變葉片的空氣動力學性能，如果翼尖變形量過大，甚至會影響塔架安全。
展開 計算一段時間后采集cd、cl值跟一開始就采集顯示是不一樣的
計算初始沒有對cd、cl的值進行監控和采集，迭代幾百步后不關閉軟件
設置采集cd、cl值跟
在計算過程中，手動停止，然后在將cd、cl數據清除，再進行計算保存cd、cl就采集顯示是不一樣的
下圖是計算初始沒有對cd、cl的值進行監控和采集 顯示的cd曲線
后一種方式，可以關注steve_zheng老師的渦激振動的cd曲線
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其實把這個貼在這里要說明什么問題呢？
遇到這種情況在最開始的時候cd一直在線性增長，別擔心。。。。。。
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<p><a href="http://www.towaseiden.cn/prov_456.html" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>叉型振動式料位開關</strong></a>是基于懸臂梁的振動原理，采用圓棒或音叉作為振動探頭，利用壓電器件實現振動的驅動與檢測的一種物位測量儀表。計為振動式物位開關系列產品的各項性能指標達到行業先進水平，具有極高可靠性。當振動探頭與被測介質接觸時，振動探頭的振幅或頻率明顯減小，壓電檢測器件輸出信號幅度也隨之減小，信號變化由智能電路檢測分析并輸出一個開關信號。根據被測介質的化學性質和物理結構的不同，可以選用不同系列的振動式物位開關。</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。
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展開 淺談Y+（關乎到模擬的成功與否）
采用大渦模擬的近壁網格要求對于大渦模擬，壁面條件采用了壁面法則，因此對近壁網格劃分沒有太多限制。但是，如果要得到比較好的結果，最好網格要細，最理想的網格劃分要求第一網格在y+ ＝1的位置。如果稍微大點，比如 y+＝4～5，只要位于粘性底層內，也是可以用來算的。(注意:yplus值是影響網格質量，影響計算結果，評判結果正確或合適的一個重要準則，一個不合適的y+值，可能做出來來的結果是不理想的，所以大家在繪制網格時要關注第一層網格的厚度)
這是各種情形下的yplus取值:Laminar sublayer (y+ < 5) Buffer region (5 < y+ < 30) Turbulent region (y+ > 30)
這是計算yplus的網址:https://www.cfd-online.com/Tools/yplus.php
我剛發的渦激振動視頻的網格劃分第一層網格厚度（即y+）便是如此取得
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