一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置

1.本实用新型涉及大跨桥梁风振风险快速防控技术领域，更具体地，涉及一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置。


背景技术：

2.大跨桥梁由于细长外形、轻柔特性而成为风敏感结构。近年来，大跨桥梁在风的作用下发生剧烈振动的事例不胜枚举。2020年4月26日下午，武汉鹦鹉洲长江大桥桥体发生波浪形晃动，桥面上正在通行的驾驶员和乘客感到头晕、恐慌。2020年5月5日下午，广东虎门大桥桥面出现异常抖动，桥面竖向位移最大达到44.61cm，以致大桥被封闭十天后才恢复通车。2020年6月18日晚上7时起，舟山西堠门大桥因大风影响产生持续约70分钟的振动。相关专家均表示，这些桥梁的主梁在受到大风影响后都发生涡激振动，涡激振动是旋涡周期性脱落所引起的振动现象。由此可见，涡激振动是大跨桥梁服役阶段不容忽视的重要问题。
3.涡激振动，简称涡振，是桥梁风致振动中的一种类型。它主要有两个特点：一个是在较低风速下，比如三、四、五级风，就会发生涡振；另一个是振幅有限。这意味涡振出现的频率会比较高。虽然涡振不会像驰振、颤振一样给桥梁带来毁灭性破坏，但是频繁持续的大幅涡振不但会造成杆件裂纹、结构疲劳破坏，还会影响行人舒适性、行车安全性，甚至桥梁耐久性。因此，研发大跨桥梁涡振风险快速防控技术成为社会发展亟需面对并积极解决的现实问题，需要对涡激振动的发生进行控制，尽量避免其发生或限制其振动幅值。
4.当前，常用于大跨桥梁涡振抑制的流动控制技术可分为：被动技术与主动技术。气动附属物(比如抑流板、稳定板等)、主梁外形优化(比如主梁开槽、调整栏杆与检修车轨道的形状和位置等)和涡流发生器等，都是目前较为频繁采用的被动流动控制技术。公开号为cn205775805u的中国实用新型专利公开了一种利用垂直轴风机进行涡振控制的大跨度桥梁，包括主梁，所述主梁底部转角处设置有垂直轴风机。上述技术方案利用垂直轴风机风叶旋转产生的尾流打乱桥梁主梁断面规则漩涡脱落，增加了材料与设备的费用投入，还会对桥梁结构原有的力学性能产生较大影响。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置，通过等离子体激励器产生由暴露电极指向掩埋电极的壁面射流，从而抑制箱梁尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。与现有技术相比，本实用新型的优点为安装方便、响应速度快、成本较低。
6.本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
7.一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置，包括控制单元、沿来流方向贴附在箱梁下游风嘴上表面和/或下表面的等离子激励器和与等离子激励器连接的电源；所述等离子激励器包括绝缘介质和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极和掩埋电极；沿来流方向，所述暴露电极位于掩埋电极上游；所述暴露电极和掩埋电极分别与电源的
高压输出端和低压输出端连接，所述电源与控制单元相连。
8.进一步地，所述等离子体激励器设置在箱梁下游风嘴上表面，从风嘴上表面与箱梁顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附。
9.进一步地，所述等离子体激励器设置在箱梁下游风嘴下表面，从风嘴下表面与箱梁底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
10.进一步地，所述等离子体激励器的数量不止一个，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。
11.进一步地，所述等离子体激励器等间距布置。
12.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极为铜箔材质，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm。
13.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极非对称地设置在绝缘介质两侧。
14.进一步地，所述暴露电极和掩埋电极的形状为直线形、锯齿形、波浪形或矩形。
15.进一步地，所述绝缘介质为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
16.进一步地，所述等离子体激励器在接通电源之后电离近表面的空气而产生等离子体，所述等离子体在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
18.本实用新型无运动部件、尺寸小、重量轻、构造简单、安装方便、响应速度快和成本较低，等离子体激励器可以贴附于箱梁表面的任意位置，提高该装置的适用性。
19.本实用新型通过电离经过等离子体激励器的空气产生定向壁面射流、形成局部扰动，而不需要额外的气源，大幅降低控制系统的结构重量与复杂程度。通过改变电极形状、电极几何尺寸、绝缘介质厚度和等离子体激励器个数等参数，实现在各种复杂风场环境下都获得较优的控制效果，合理有效地抑制涡激振动。
20.本实用新型通过控制单元能够实现对装置的电气化控制，依据需求随时开启与关闭电源、调整等离子体激励器的电离强度，实现实时的主动控制。
附图说明
21.图1为一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置的结构示意图，
22.图2为图1中a-a截面的箱梁尾缘风嘴剖面放大示意图，
23.图3为不同电极形状的等离子体激励器结构示意图；
24.其中，1为来流方向，2为箱梁，3为等离子体激励器，3a为暴露电极，3b为掩埋电极，3c为绝缘介质，3d为等离子体，3e为壁面射流，4为电源，5为控制单元，6为直线形电极，7为锯齿形电极，8为波浪形电极，9为矩形电极。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.实施例1
27.如图1～2所示，本实施例提供一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置，包括控制单元5、沿来流方向1贴附在箱梁2下游风嘴上表面或下表面的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源4。本实施例中，等离子体激励器3设置在箱梁2下游风嘴上表面，从风嘴上表面与箱梁2顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附。
28.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。本实施例中的电源采用低温等离子体电源，控制单元5为电压调节装置，用于调节电压大小，通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
29.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜，厚度为0.2～2mm。
30.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨悬索桥箱梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
31.本实施例提供的一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置的工作过程如下：当来流风速达到箱梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
32.实施例2
33.本实施例提供一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置，包括控制单元5、沿来流方向1贴附在箱梁2下游风嘴上表面或下表面的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源4。与实施例1不同之处在于，本实施例中，等离子体激励器3设置在箱梁2下游风嘴下表面，从风嘴下表面与箱梁2底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
34.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。本实施例中，控制单元5为电压调节装置，用于调节电压大小，通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
35.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
36.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨悬索桥箱梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
37.本实施例提供的一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置的工作过程如下：当来流风速达到箱梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
38.实施例3
39.如图1～3所示，本实施例提供一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置，包括控制单元5、沿来流方向1贴附在箱梁2下游风嘴上表面或下表面的等离子激励器3和与等离子激励器连接的电源4。本实施例中，等离子体激励器3同时设置在箱梁2下游风嘴上表面和下表面，从风嘴上表面与箱梁2顶部相交的尖角处开始贴附，随后沿上表面等间距贴附；从风嘴下表面与箱梁2底部相交的尖角处开始贴附，随后沿下表面等间距贴附。
40.等离子激励器包括绝缘介质3c和非对称贴附在绝缘介质两侧的暴露电极3a和掩埋电极3b，沿来流方向1，暴露电极3a位于掩埋电极3b上游；暴露电极3a和掩埋电极3b分别与电源4的高压输出端和低压输出端连接，电源4与控制单元5相连，同时接地。本实施例中，控制单元5为电压调节装置，用于调节电压大小，通过控制单元5能够实现电气化控制，依据需求随时开启与关闭装置、调整等离子体激励器3的电离强度，实现实时的主动控制。
41.本实施例中，等离子体激励器3的数量不止一个，等离子体激励器3等间距布置，相邻等离子体激励器之间的中心距为5～35mm。暴露电极3a和掩埋电极3b为铜箔材质，形状相同，厚度为0.01mm到0.1mm，宽度为1mm到8mm，电极长度根据需要确定，本实施例中不做进一步限定。绝缘介质3c为环氧树脂、有机玻璃、聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜；厚度为0.2～2mm。
42.本实施例通过等离子体激励器3在接通电源4之后电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展，有效提升大跨悬索桥箱梁2的涡振稳定性。绝缘介质3c厚度的加大或者等离子体激励器3个数的增加，都能显著增强该装置的抑振效果。
43.如图3所示，本实施例中通过调整电极形状、电极几何尺寸、绝缘介质厚度和等离子体激励器个数等参数，可实现在各种复杂风场环境下较好的控制效果。具体地，暴露电极3a和掩埋电极3b的形状可以为直线形电极6、锯齿形电极7、波浪形电极8或矩形电极9。
44.本实施例提供的一种用于大跨悬索桥箱梁涡振抑制的等离子体激励器装置的工作过程如下：当来流风速达到箱梁2涡振风速时，控制单元5通过低温等离子体电源4向等离子体激励器3提供高频高压，等离子体激励器3能够电离近表面的空气而产生等离子体3d，等离子体3d在电场作用下发生定向移动而形成壁面射流3e，从而抑制箱梁2尾流中大尺度展向脱落旋涡的形成与发展。
45.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
46.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。