圓柱結(jié)構(gòu)的流致振動(dòng)在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中均有著重要的意義。工業(yè)和工程建筑物通常是柱群結(jié)構(gòu)的組合,如斜拉橋拉鎖、煙囪群、熱交換器管、輸電線、桅桿、化工反應(yīng)塔、海洋平臺(tái)、立管、海底管道、相鄰摩天大樓等。自然,理解臨近柱群結(jié)構(gòu)對(duì)流致振動(dòng)的影響有重要的工程實(shí)際意義。兩個(gè)串列圓柱的相互作用非常強(qiáng)烈,包括剪切層再附著、剪切層干擾、準(zhǔn)周期性渦、渦沖擊、回流等。因此,兩個(gè)串列圓柱是研究柱群結(jié)構(gòu)流固耦合的優(yōu)秀模型。針對(duì)兩個(gè)固定剛性圓柱已經(jīng)展開了諸多研究。然而,工程結(jié)構(gòu)嚴(yán)格意義上并不是固定的。實(shí)際上,很多工程結(jié)構(gòu)類似彈性支撐并易經(jīng)受劇烈流致振動(dòng)。盡管關(guān)于兩個(gè)串列圓柱的橫向流致振動(dòng)有了一些前期研究,對(duì)涉及到的流固耦合的理解還相當(dāng)有限。因此,本文旨在通過實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚�(gè)串列圓柱的流致振動(dòng)內(nèi)在機(jī)理。利用激光測(cè)振儀、熱線、壓力掃描閥和粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)圓柱振動(dòng)和頻率響應(yīng)、表面壓力、渦脫頻率和流場(chǎng)進(jìn)行了廣泛的測(cè)量。設(shè)計(jì)了一個(gè)新型實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量圓柱振動(dòng)響應(yīng)和流致力,從而能夠計(jì)算附加阻尼、附加質(zhì)量以及流體和振動(dòng)圓柱之間的能量傳遞,進(jìn)而能夠成功挖掘流致振動(dòng)內(nèi)在機(jī)理。本文系統(tǒng)地研究了一個(gè)彈簧支撐圓柱在另一個(gè)較小直徑固定圓柱尾流中的錯(cuò)流誘導(dǎo)振動(dòng)。首先,研究確定了六種不同的流動(dòng)區(qū)域。研究表明彈簧支撐圓柱會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng),并記錄了圓柱振動(dòng)和直徑比以及間距比的關(guān)系。其次,通過仔細(xì)研究和分析流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及同時(shí)采集到的下游振動(dòng)圓柱周圍的壓力分布,對(duì)振動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理和其持續(xù)原因進(jìn)行了探討。最后,揭示了結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理。詳細(xì)地討論了附加質(zhì)量、流致阻尼和其它物理參數(shù)在振動(dòng)起始過程中的作用。將振動(dòng)過渡或增長(zhǎng)過程劃分為三個(gè)階段:預(yù)初期過渡階段、初期過渡階段和后期過渡階段。分析結(jié)果表明,在預(yù)初期過渡階段,自然渦脫頻率引發(fā)了圓柱的振動(dòng)。渦脫和間隙剪切層的切換的共同作用導(dǎo)致了初期過渡階段振動(dòng)的迅速增長(zhǎng)。然而,在后期過渡階段,剪切層的切換維持了圓柱的持續(xù)的劇烈振動(dòng)。當(dāng)上游圓柱為彈簧支撐從而能夠振動(dòng)時(shí),兩個(gè)圓柱的振動(dòng)特性更為復(fù)雜,其振動(dòng)機(jī)理尚不清楚�；诖�,本文亦通過實(shí)驗(yàn)研究了兩個(gè)相同串列彈性支撐圓柱的流致振動(dòng)。兩個(gè)圓柱均僅能在橫向方向振動(dòng)。首先,根據(jù)圓柱馳振振動(dòng)特性和產(chǎn)生機(jī)理,確定了四種不同的振動(dòng)類型。其次,闡明了振動(dòng)產(chǎn)生和維持的機(jī)理。上游圓柱背面的間隙渦引起了流體到圓柱的正的能量傳遞,從而維持了上游圓柱的振動(dòng)。另一方面,間隙剪切層的再附著、分離和切換引發(fā)下游圓柱受到來自流體的正功,并在維持下游圓柱振動(dòng)方面起著重要的作用。同時(shí)研究表明上游圓柱上側(cè)和下側(cè)間隙剪切層的再附著、分離、卷曲和脫落在一個(gè)振動(dòng)周期中交替出現(xiàn)。研究還對(duì)不同初始條件(圓柱振動(dòng)或固定)和不同圓柱固有頻率對(duì)另一個(gè)圓柱的振動(dòng)的影響進(jìn)行了探討�？傊�,本文通過實(shí)驗(yàn)研究了兩個(gè)圓柱的橫向方向的流致振動(dòng)。系統(tǒng)地測(cè)量了振動(dòng)響應(yīng)、渦脫頻率、壓力分布和力以及圓柱間隙和尾流中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。確定了不同的流動(dòng)分區(qū),闡明了劇烈振動(dòng)內(nèi)在機(jī)理和其持續(xù)的原因,并對(duì)圓柱振動(dòng)的起始進(jìn)行了詳細(xì)的探討。結(jié)果將有助于徹底理解兩個(gè)串列圓柱流致振動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理和設(shè)計(jì)控制方案來抑制振動(dòng)。同時(shí),結(jié)果為柱群結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要的參考,如斜拉橋拉鎖、煙囪群、熱交換器管、相鄰摩天大樓、海洋立管等。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O353.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2808641