基于结构化多孔表面的圆柱形结构主动吹气减振防护装置的制作方法

1.本发明涉及大跨度桥梁索结构风致振动控制领域，具体涉及一种基于结构化多孔表面的圆柱形结构主动吹气减振防护装置。


背景技术：

2.现有的以及在建的大跨度桥梁绝大多数为缆索承重体系，以斜拉桥和悬索桥为主要代表。在斜拉桥和悬索中的斜拉索、主缆和吊杆统称为索结构，其截面形式以圆柱形为主。大跨度桥梁中的索结构自由长度往往较大，刚度较小，柔度效应明显。当来流风流经以上圆柱形结构时，会在尾流区产生以一定频率交替脱落的旋涡，当旋涡脱落频率与结构自身振动的某阶频率相近时，会发生风致振动，属于流固耦合现象的一种。在桥梁的使用过程中，索结构的风致振动会影响桥梁的正常使用和行车安全，严重时会导致构件的疲劳甚至是结构的破坏。因此，采取减振措施对结构的风致振动进行控制具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.基于以上背景，本发明的目的在于提出一种基于结构化多孔表面的圆柱形结构主动吹气减振防护装置，能够对大跨度桥梁索结构的风致振动进行有效地抑制，使用时可将本防护装置完全覆盖于所需要进行风致振动控制的圆柱形结构上，当圆柱形结构的自由长度较长时，可根据实际情况，在结构的重要区段安装本防护装置。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于结构化多孔表面的圆柱形结构主动吹气减振防护装置，包括圆柱形轴向中空的护套，所述的护套套在被防护的圆柱形结构的表面，所述的圆柱形护套面向来流侧的护套一瓣为实心结构，面向尾流侧的护套另一瓣为多孔结构，所述的多孔结构包括多个气流过渡孔，多个所述的气流过渡孔沿护套的径向以一定间隔呈放射状在护套内部以阵列结构排列，并贯通于所述的护套另一瓣的外壁面，每个沿护套轴向相邻的所述的气流过渡孔互相连通，护套的一端或两端的端面的多个气流过渡孔作为本防护装置的进气端，外部供气设备通过管路与所述的进气端连接，用于防护的气流从所述的进气端吹入，从护套另一瓣的外壁面射出，进入被防护的圆柱形结构的尾流区，使尾流区的风速剖面更加稳定，同时削弱分离的剪切层之间的相互作用，改变旋涡脱落周期，改变作用于结构上的气动力，从而达到抑制风致振动的效果。
5.进一步的，所述的气流过渡孔的直径延所述的护套的径向由内向外逐渐增大。
6.进一步的，位于径向每层的气流过渡孔通过一个或多个半环形的通气道连接。
7.进一步的，所述的进气端安装有控制阀门，当需要使用本防护装置进行风致振动控制时，将阀门打开，不需要使用时，可将阀门关闭。
8.进一步的，所需外部吹入气流率q的公式如下：
[0009][0010]
式中q为外部入吹气流率，c
μ
为无量纲吹气动量系数，s
h
为装置外侧表面的气孔总面积，u
∞
为来流风速；根据所需要达到的控制效果对无量纲吹气动量系数c
μ
进行估计，进而
得到所需的吹气流率q。
[0011]
本发明的优点及有益效果：本发明使圆柱形结构尾流区的风速剖面更加稳定，同时削弱分离的剪切层之间的相互作用，改变旋涡脱落周期，改变作用于结构上的气动力，从而达到抑制风致振动的效果；具有控制效率高，能够对圆柱形结构的风致振动起到明显的抑制作用的优点。
附图说明
[0012]
图1为本发明实施例1的防护装置结构立体示意图。
[0013]
图2为本发明实施例1的径向剖面示意图。
[0014]
图3为本发明实施例1的一种基于结构化多孔表面的用于抑制圆柱形结构风致振动的主动吹气减振防护装置工作原理示意图。
[0015]
图4为本发明实施例1的无控条件下的瞬时流场涡量图。
[0016]
图5为本发明实施例1的无控条件下的时均流场流线与湍动能图。
[0017]
图6为本发明实施例1的安装主动吹气减振防护装置条件下的瞬时流场涡量图。
[0018]
图7为本发明实施例1的安装主动吹气减振防护装置条件下的时均流场流线与湍动能图。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
[0020]
实施例1
[0021]
如图1
‑
2所示，一种基于结构化多孔表面的圆柱形结构主动吹气减振防护装置，包括圆柱形轴向中空的护套，所述的护套套在被防护的圆柱形结构的表面，其特征在于，所述的圆柱形护套面向来流侧的护套一瓣为实心结构，面向尾流侧的护套另一瓣为多孔结构，所述的多孔结构包括多个气流过渡孔1，多个所述的气流过渡孔1沿护套的径向以一定间隔呈放射状在护套内部以阵列结构排列，并贯通于所述的护套另一瓣的外壁表面，所述的气流过渡孔1的直径延所述的护套的径向由内向外逐渐增大，每个沿护套轴向相邻的所述的气流过渡孔1互相连通，位于径向每层的气流过渡孔1通过两个半环形的通气道2连接；护套的两端的端面的多个气流过渡孔1的侧壁作为本防护装置的进气端，外部供气设备通过管路与所述的进气端连接，用于防护的气流从所述的进气端吹入，从护套另一瓣的外壁面均匀射出，进入被防护的圆柱形结构的尾流区。射入尾流区的气流使得该区域的流动更加稳定，圆柱形结构侧向剪切层间的相互作用减弱，尾流区的旋涡脱落周期被改变。当外部吹气流率足够大时，旋涡脱落模式会改变，相应地，尾流区所脱落的旋涡会消失。
[0022]
如图3所示，外部主动吹入的气流从结构化多孔表面均匀射入尾流中，本防护装置展向两端均设置有由阀门控制的外部吹气入口段，均可由开关进行控制，当需要使用本装置对结构的风致振动进行控制时，可将阀门打开，吹入外部气流；当不需要对结构的风致振动进行控制时，可将阀门关闭，此时风流经圆柱形结构时的绕流效应与普通无控结构相同。
[0023]
结合图3，在圆柱形结构上设置本防护装置，所需外部吹入气流率q的公式如下：
[0024][0025]
式中q为外部入吹气流率，c
μ
为无量纲吹气动量系数，s
h
为装置外侧表面的气孔总
面积，u
∞
为来流风速；根据所需要达到的控制效果对无量纲吹气动量系数c
μ
进行估计，进而得到所需的吹气流率q。。
[0026]
利用粒子图像测速piv系统，对圆柱形结构周围的流场进行测量与可视化，如图4和图5所示为无控圆柱形结构绕流的瞬时面内涡量ω
z
结果与时均流线和湍动能tke结果。图4的瞬时涡量结果表明，无控圆柱形结构的尾流中存在明显的、反对称交替脱落的旋涡结构，具有周期性，剪切层之间的相互作用明显；图5的时均结果表明，无控圆柱形结构尾流区存在非常高的湍动能，湍流效应显著，尾流不稳定。
[0027]
图6和图7分别显示了安装本发明的防护装置后的圆柱型结构绕流的瞬时面内涡量ω
z
结果与时均流线和湍动能tke结果。图6所示的瞬时涡量结果表明，尾流中交替脱落的旋涡已消失，旋涡脱落模式发生转变，剪切层之间的相互作用得到抑制。图7所示的时均结果表明，本防护装置可显著降低尾流区的湍动能，抑制湍流效应，使结构的尾流更加稳定，作用于圆柱形结构上的气动力减小，周期性改变，结构的风致振动得到了抑制。