一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构的制作方法

1.本发明涉及流致振动领域，具体涉及一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构。


背景技术：

2.流致振动是指流体经过结构时引起的结构振动，常见于风、河流、洋流中的柔性体或弹性支撑的刚体，如桥梁的斜拉索、吊杆、高空输电线、高塔、海洋立管等。涡激振动是最常见的流致振动现象之一。当流体绕过结构时，在结构背面产生旋涡脱落。当旋涡脱落与结构某阶自振频率相近时，旋涡脱落会与结构振动发生耦合，相互促进，从而诱发较大幅值的涡激共振。涡激振动发生的流速要求小，诱发频率高，幅值可能较大，影响结构的安全性和耐久性，使结构无法正常使用。
3.目前，涡激振动的控制方法主要可分为两类，一类是边界层控制，一类是尾流控制。在边界层控制方法中，主要是对结构表面进行修饰，例如凹坑、螺旋线、行波、局部粗糙元等。通过改变边界层的分离点和稳定性来抑制剪切层在近尾流区发生卷曲，从而降低旋涡脱落和结构的耦合程度。尾流控制方法中，在尾流区布设分流板或其它附属结构，从而抑制旋涡的生成，降低涡激振动幅值。此外，主、被动吸吹气装置根据其气孔的布设位置，可同时作用于边界层和尾流区，起到良好的控制效果。目前已有的涡激振动控制方法均存在一定的局限，凹坑和螺旋线对涡激振动的控制效果有限，行波、和主动吸吹气装置结构复杂，需要通电运行，且对攻角敏感，来流方向改变后控制效果减弱，甚至可能起到相反的控制效果。局部粗糙元、导流板和附属结构也存在各向异性的问题。此外，前述各项控制措施中，大部分要求结构在出厂时就进行安装，无法对既有结构在后期进行加装，所以其适用范围有限。


技术实现要素：

4.基于以上不之处，本发明的目的在于提供一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，对通过气流或水流中的柱形结构施加多孔材料覆层，通过合理设计覆层结构参数从而实现减弱的脉动荷载、按需求降低柱形结构涡激振动幅值。
5.本发明的目的是这样实现的：一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，在圆柱形结构的外表面覆盖一定厚度和孔隙数的多孔材料覆层，所述的多孔材料覆层的孔隙率不低于97％，每英寸孔隙数ppi＝15
‑
30，厚度＝1/8
‑
1/2倍的圆柱形结构直径。
6.本发明还具有如下技术特征
7.1、所述的圆柱形结构为固定形状、柔性或弹性形状。
8.2、所述的多孔材料覆层为圆筒型，圆筒内部截面与受控的圆柱形结构截面一致，使用时将覆层套在受控的圆柱形结构外部，无需任何方式的粘接，无需调整风攻角。
9.3、所述的多孔材料覆层为泡沫聚氨酯或泡沫金属材料。
10.本发明的有益效果及优点：本发明可显著改变柱形结构的尾涡脱落模式。当孔数较低时，存在大量流体通过多孔材料覆层内部，提高近场的分离流剪切层稳定性，迫使剪切
层在远场发生卷曲，进而行成旋涡。远场形成的旋涡与结构的相互作用较小，因此涡激振动受到抑制。本发明可显著降低脉动升、阻力，进而抑制钝体结构涡激振动，同时具有使用简便的优点。
附图说明
11.图1为基于多孔材料覆层的涡激振动控制方法示意图；
12.图2为不同ppi和直径的多孔材料覆层对比图；
13.图3为不同ppi和直径的多孔材料覆层对固定的圆柱形结构脉动荷载的控制效果对比图；
14.图4为不同ppi和直径的多孔材料覆层对固定的圆柱形结构尾流场的控制效果对比图；
15.图5为不同ppi和直径的多孔材料覆层对弹性支撑圆柱涡激振动幅值的控制效果对比图；
16.图6为不同ppi和直径的为多孔材料覆层对弹性支撑圆柱涡激振动流场的控制效果对比图；
具体实施方式
17.下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
18.实施例1
19.一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，在圆柱形结构2的外表面覆盖一定厚度和孔隙数的多孔材料覆层1，所述的多孔材料覆层1的孔隙率不低于97％，每英寸孔隙数ppi＝15
‑
30，厚度＝1/8
‑
1/2倍的圆柱形结构直径。所述的多孔材料覆层为泡沫聚氨酯或泡沫金属材料。
20.结合图1、图2、图3和图4，本实施例适用于降低固定柱形结构的脉动荷载。当结构固定时，任意厚度和孔数的多孔材料覆层均可降低升、阻力的脉动幅值。随着流速的增加，脉动升、阻力的降低幅度越大。原因在于尾流旋涡位置大幅推后，对结构影响减弱。提高覆层厚度、降低孔隙数均有利于降低脉动荷载。其中阻力荷载脉动在20m/s的风速下最低可达无控圆柱的1/3，升力荷载脉动最低可达无控圆柱的2％。
21.实施例2
22.结合图1、5和图6，本实施例适用于降低柔性或弹性支承的柱形结构涡激振动幅值。本实例为实验室弹性支承的柱形结构涡激振动幅值控制效果。柱体结构刚度为k＝753.9k.m，阻尼为ζ＝0.6％，无孔结构直径为d＝0.04m，本发明中的多孔材料覆层厚度为d＝5
‑
20mm，施加覆层后的结构无量纲厚度d
＊
为(d 2d)/d＝1.25
‑
2。
23.当ppi＜30时，涡激振动幅值均得到了有效抑制。低孔隙数、高厚度的覆层控制效果更佳。其中，涡激振动幅值最低可降低到无控工况的4％。
24.实施例3
25.结合图5和图6，当ppi＞30时，涡激振动幅值均得到了有效提高，高孔隙数、高厚度覆层的增强效果更佳，增强了柔性或弹性支承的柱形结构涡激振动，其中，涡激振动幅值最高可达无控工况的200％。适用于增强柔性或弹性支承的柱形结构涡激振动。综上，当孔数
较高时，通过多孔材料内部的流量较小，对分离流剪切层的稳定性影响不显著。覆层与受控结构组成的整体更趋近于实体，尺寸的增大诱发了更高幅值的涡激振动。


技术特征：
1.一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，其特征在于，在圆柱形结构的外表面覆盖一定厚度和孔隙数的多孔材料覆层，所述的多孔材料覆层的孔隙率不低于97％，每英寸孔隙数ppi＝15
‑
30，厚度＝1/8
‑
1/2倍的圆柱形结构直径。2.如权利要求1所述的一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，其特征在于：所述的圆柱形结构为固定形状、柔性或弹性形状。3.如权利要求2所述的一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，其特征在于：所述的多孔材料覆层为圆筒型，圆筒内部截面与受控的圆柱形结构截面一致，使用时将覆层套在受控的圆柱形结构外部，无需任何方式的粘接，无需调整风攻角。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，其特征在于：所述的多孔材料覆层为泡沫聚氨酯或泡沫金属材料。

技术总结
本发明公开一种抑制圆柱形结构涡激振动的结构，在圆柱形结构的外表面覆盖一定厚度和孔隙数的多孔材料覆层，所述的多孔材料覆层的孔隙率不低于97％，每英寸孔隙数PPI＝15


技术研发人员：赖马树金 袁文永 李惠
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.06.15
技术公布日：2021/10/15