包括涡激振动
包括涡激振动
一、侧力系数和作用在柱体上的气动力
图 4-3
单自由度驰振模型
1、基于准定常理论的分析
平均阻力和平均升力在y方向上邓哈托判别式：
四、横风向效应与顺风向效应的组合
假设结构任意高度处横风向的风效应用 RL ( z) 表示，而 顺风向的风效应用 RD ( z) 表示，则 z高度处最大风效应 表达如下：
注：这里，顺风向振动应按随机振动考虑， 风速取为与横风向相同的临界风速
五、涡激随机振动
5 6 1 10 Re 3.5 10 当雷诺数Re处于超临界范围( )时，结 构物背后的湍流尾流将引起横风向的随机振动，应按随机振 动的理论进行分析。 但这里最大的区别是应采用横风向的 脉动风速谱和对应的相干函数；
三、抖振 （强迫振动）
4.2 涡激振动
一、雷诺数
定义：惯性力与粘性力之比
Re vD
6.9 104 vD
卡门涡列
二、斯超海尔数和锁定现象
前述尾流现象最显著的规律性是由斯超海尔 （Strouhal)最先提出的
锁定现象
三、 圆柱体结构的涡激共振力
1. 临界风速
2. 共振区高度
3. 横风向共振风振力 运动方程：
第四章 结构横风向风振
主要讨论工程结构中易于遇到且机 理相对清楚的横风向风振内容，包括涡 激振动（Vortex-induced vibration)、驰 振（Galloping)、颤振（Flutter)及抖振 （Buffeting)
4.1 主要横风向风振机理分析
一、涡激振动
二、驰振、颤振 （自激振动）
4.3 横风向驰振
上一节所述的涡激振动是在结构物背后由交替的旋 涡脱落产生的，可以认为是一种稳定的振动，其激发能 量在一个特殊的频率处有一个确定的值。本节所讨论的 横风向驰振对特殊截面形状的细长结构物具有典型的不 稳定性，其截面形状如矩形、D字形或—些裹冰输电线的 有效截面形状．这些结构在垂直于气流方向上会表现出 大幅度的振动，振幅可达1—10倍以上横风向截面尺寸， 其振动频率远低于相同截面的旋涡脱落频率。 驰振是—种失稳式振动，驰振一旦发生，便成为剧 烈的振动，有导致结构破坏的危险性；
涡激振动的力学原理
涡激振动的力学原理涡激振动是指在流体中发生的一种特殊的振动现象，它的产生是由于流体中涡旋的运动引起的。
涡激振动在工程领域中经常出现，对结构和设备的振动响应、疲劳寿命和安全性能等产生重要影响。
因此，深入理解涡激振动的力学原理对于工程设计和结构疲劳分析具有重要的意义。
涡激振动的力学原理可以从流体动力学的角度进行解释和理解。
在流体中，涡旋是流体的高速旋转区域，其附近压力较低，速度较高。
涡旋的大小和形状取决于流体流动的速度、粘度和直径等因素。
在流体中存在涡旋时，流体会在涡旋周围产生压力和摩擦力。
当涡旋的大小和形状发生变化时，压力和摩擦力的作用会导致结构和设备发生振动。
涡激振动的产生原因主要有两方面：一是涡旋大小和形状的变化引起的压力和摩擦力的变化；二是涡旋与结构或设备之间的相互作用。
首先，涡旋大小和形状的变化会引起压力和摩擦力的变化。
涡旋的变化可以通过两种方式进行，即由于流体速度的变化或由于流体粘度和直径的变化。
当流体速度增大或减小时，涡旋的大小和形状也会相应变化。
在涡旋附近，流体速度的变化会引起压力和摩擦力的变化，从而导致结构和设备发生振动。
其次，涡旋与结构或设备之间的相互作用也会引起振动。
当涡旋与结构或设备相互作用时，会产生压力和摩擦力，从而使结构或设备发生振动。
涡激振动的产生与涡旋的频率、幅值和方向等相关，而这些因素又与流体速度、涡旋的大小和形状等因素密切相关。
涡激振动的发生在许多工程实践中都有所体现，例如，在桥梁、建筑物和石油平台的设计中，涡激振动会导致结构的疲劳破坏和振动响应增加，从而影响结构的安全性能和使用寿命。
因此，在工程设计和结构疲劳分析中，需要考虑涡激振动的力学原理，以减小涡激振动对结构和设备的影响。
综上所述，涡激振动是由于流体中涡旋的运动引起的一种特殊的振动现象。
其产生是由于涡旋大小和形状的变化引起的压力和摩擦力变化，以及涡旋与结构或设备之间的相互作用所导致的。
深入理解涡激振动的力学原理对于工程设计和结构疲劳分析具有重要的意义。
混流式水轮机的水力振动与噪声控制技术
混流式水轮机的水力振动与噪声控制技术水力发电是一种可再生能源的重要形式，而混流式水轮机作为常见的水力发电设备之一，在能量转换过程中存在一定的水力振动和噪声问题。
为了提高混流式水轮机的运行效率和减少对环境的影响，研究和应用水力振动与噪声控制技术变得越来越重要。
一、混流式水轮机水力振动的影响机制混流式水轮机的水力振动主要受到以下几个因素的影响：1. 换能机理当水流通过叶轮时，由于水流的不连续性和旋转叶片的切割作用，会在叶片表面产生剪切力和压力梯度。
这些力的变化会导致叶片发生振动，进而引起整个水轮机结构的振动。
2. 涡激振动涡激振动是混流式水轮机常见的水力振动方式之一。
涡激振动的形成是因为在叶轮旋转过程中，由于水流经过叶片和尾水槽之间的空隙，会形成涡旋。
这些涡旋与叶轮频率相互作用，产生激励力，引起水轮机结构振动。
二、混流式水轮机水力振动与噪声控制技术为了减小混流式水轮机的水力振动和噪声，研究人员提出了多种控制技术，包括主动控制、被动控制和减振设计等。
1. 主动控制技术主动控制技术是通过在水轮机叶片或尾水槽上设置振动传感器和执行器，采用控制算法对叶片进行主动振动控制。
主动控制可以根据叶轮运行状态实时调整叶片的振动状态，以减小水轮机的水力振动和噪声。
2. 被动控制技术被动控制技术主要包括结构改进和降噪材料的应用。
通过改进水轮机的结构设计，如优化叶轮形状、改变叶片厚度等，可以减小水力振动的产生。
此外，利用降噪材料对叶轮表面进行包覆，可以有效吸收振动能量，降低水轮机的噪声。
3. 减振设计技术减振设计技术是通过在水力发电系统中引入减振装置来降低水力振动和噪声。
常见的减振装置包括减振支座、减振吸振器、液力振动减振器等。
这些减振装置可以消除或减小水轮机的共振现象，从而降低水力振动和噪声。
三、混流式水轮机水力振动与噪声的控制案例在实际应用中，研究人员已经成功应用水力振动与噪声控制技术来改善混流式水轮机的运行效率和减少对环境的影响。
第八讲 涡激振动问题
4πmϕξ − canlan, 1985)
特点: 非线性振动, 试验结果准确, 大量工程应用
2.4 通用经验非线性模型
( ) ( ) m &y& + 2ξω1 y& + ω12 y = μfCa 1 − ε η 2υ η& ( ) ( ) m &y& + 2ξω1 y& + ω12 y = μfCa 1− ε η 2 η& (υ = 1)
∫ Mi =
h 0
m(z
)φi2
(z
)dz
(广义质量);
Ki = (2πfi )2 M i
(广义刚度)
Ci = 4πM i fiξi (模态阻尼);
Qi
(t
)
=
∫h 0
w(z,
t
)φi
(z
)dz
(广义荷载)
z(3) 涡激响应
∫ ∫ σ 2 ai
∞
= Sai ( f
0
)df
=
1
K
2 i
∞ 0
Hi ( f ) 2 SQi ( f )df
&y& D
+
2ξω1
y& D
+ ω12
y D
=
ρU 2
2m
CL
C&&L + a1C&L + a2C&L3 + a3CL = a4 y&
(Scruton, 1963) (R. T. Hartlen et al. ,1968)
特点: 公式简单，实验量大，应用不多
2.2 经验线性模型
风对结构的作用及抗风防护措施
风对结构的作用及抗风防护措施刘宏睿摘要：风灾害是发生频繁的自然灾害．每年会给人类造成重大的生命和财产损失。
工程结构的风灾损失主要形式是结构的开裂、损坏和倒塌。
因此．工程抗风设计计算是工程安全的关键，本文研究了风的特性、风对结构的作用、风设计的主要内容和方法、防风减灾措施。
关键词：风灾；工程结构；抗风设计；防灾措施；一．引言风灾是自然灾害中影响最大的一种。
据有资料显示,从1947～1980年全球十种主要自然灾害中,由台风造成的死亡人数为4919万,占全球自然灾害死亡总人数的41%，比地震造成的死亡人数还多。
1970年11月12～13日袭击孟加拉的一个台风(当地称风暴),死亡人数达30万。
1973年9月14日,7314台风登陆海南岛时风速达60米每秒,使琼海县城夷为废墟。
1992年8月24日安德鲁飓风登陆美国佛罗里达,经济损失高达300亿美元。
2007年10月台风罗莎造成福建省42．91万人受灾，房屋倒塌130间，直接经济损失4.6亿元。
2007年11月孟加拉遭强热带风暴袭击至少1108人死亡，数千人受伤或失踪，数十万人无家可归。
对于工程结构，风灾主要引起结构的开裂、损坏和倒塌，特别是高、细、长的柔性结构。
因此，工程结构的抗风设计是关系到工程安全的重要因素。
本文结合我国有关工程抗风设计的规范，介绍了风对工程结构的作用、抗风设计的主要研究内容和方法和防风减灾措施。
二．风风的形成乃是空气流动的结果，是空气相对于地面的运动。
地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。
1.风形成的原因在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速(或风力)来表示。
空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。
在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。
涡激振动
（然而他们目前还在融资阶 段，所以这些数字都不能尽 信。） 当然从单机效率上势必也要 低于传统叶片驱动式风机， 不过因为少了叶片，使得此 类风机可以布置的更加密集， 也算是一种补偿。如此，避 之不及的涡激振动现象，就 变成了生产力，岂ห้องสมุดไป่ตู้“反者 道之动，弱者道之用”乎。
研究方法
目前，主要的研究方法有三种：
实验方法 数值方法 半经验公式
研究方法
实验方法 泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场祸合， 相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实 验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动 相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实 验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。
研究方法
数值方法 振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流 模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分 为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大 涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综 合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支 撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和 三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于 弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等。
这座桥叫塔科马海峡吊桥 （Tacoma Narrows Bridge），非 常有名，它有名是因为它塌了。 塌的原因就是那天的风很邪乎， 吹出来的泄涡频率跟桥的结构频 率正好差不多，共振，毁了。 所以这个涡激振动，是个重点防 范对象。 所以很多长期树大招风的细长物 件，其表面都不是光滑的。都有 螺旋状的肋条结构，其目的是打 乱漩涡脱落的周期规律——阻止 涡街的形成。只要没有特定的频 率，就不会产生共振，常态下的 侧向力还是可以接受的
塔 形 建 筑
钻井平台的基座
海底缆绳
涡激振动、驰振条件
涡激振动、驰振条件
涡激振动和驰振是流体中的两种不同振动现象。
涡激振动是指在流体中存在着一个涡旋，当涡旋与某个物体接触时，会产生一种周期性的力，从而使物体发生振动。
而驰振则是指在流体中存在着一种固有频率的振动，当流体受到外界激励时，会被迫振动，从而产生一种类似共振的效应。
涡激振动和驰振都需要满足一定的条件才能发生。
涡激振动是需要存在着一个涡旋，并且物体必须与涡旋的流场相互作用。
在涡旋的边界层中，流速的变化会导致压力的变化，从而产生一种周期性的力，从而使物体振动。
而驰振则需要有一个固有频率的振动系统，并且受到外界激励的频率必须与振动系统的固有频率相一致。
当外界激励的频率与振动系统的固有频率相同或接近时，就会产生共振效应，从而使振动幅度不断增大。
涡激振动和驰振在工程实践中都具有重要的应用。
涡激振动常常会对机械设备和管道系统产生破坏，因此需要进行预测和控制。
而驰振则在风力发电机、桥梁、建筑物等结构中经常出现，需要进行合理的设计和控制，以避免结构的破坏和损坏。
因此，了解涡激振动和驰振的条件和特点，对于实际工程应用具有重要的意义。
- 1 -。
涡激振动产生的原因
涡激振动产生的原因
涡激振动是机械系统中一种常见的不稳定振动现象，其主要表现为气
体或液体流动中的旋涡结构在流场中传播并引发结构振动的现象。
涡激振
动的产生原因可以归结为以下几个方面：
1.流体动力学不稳定性：在流体通过一些几何形状结构时，由于流体
速度和压力的变化，会在后方形成旋涡。
在一些特定条件下，这些旋涡的
频率与结构的固有频率相近，从而引发结构自身的振动。
这种不稳定性主
要与流体的速度分布、流体密度、黏度等因素有关。
2.速度梯度：速度梯度是流体中速度变化的强度，其大小与流体粘度
有关。
在速度梯度较大的区域，会出现速度变化剧烈的现象，从而形成旋
涡结构。
当这些旋涡结构与结构的固有频率相近时，就会引发结构的振动。
3.后向层流现象：在一些流动条件下，流体在通过一些几何形状结构后，会从后方形成层流现象。
这种层流会导致流体速度的突然下降和压力
的突然增加，从而形成旋涡结构。
当这些旋涡结构接触到结构表面时，会
引发结构振动。
4.涡脱落：在流体通过几何形状结构时，由于流体黏度的存在，旋涡
结构可能会附着在结构表面，并沿着结构表面移动。
当旋涡结构与结构固
有频率相近时，就会引发结构的振动。
而当旋涡结构在一些条件下脱离结
构表面时，也会引发结构的振动。
总之，涡激振动的产生主要是由于流体动力学的复杂性和不稳定性导
致的。
涡旋结构的形成和传播，以及与结构固有频率的耦合，都会引发结
构的振动。
因此，在设计和控制机械系统时，需要充分考虑流体动力学的
特性，以减小涡激振动对系统的影响。
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三、 圆柱体结构的涡激共振力
1. 临界风速
2. 共振区高度
3. 横风向共振风振力 运动方程：
四、横风向效应与顺风向效应的组合
假设结构任意高度处横风向的风效应用 RL (z) 表示，而 顺风向的风效应用 RD (z) 表示，则 z高度处最大风效应 表达如下：
注：这里，顺风向振动应按随机振动考虑， 风速取为与横风向相同 Nhomakorabea临界风速
4.1 主要横风向风振机理分析
一、涡激振动 二、驰振、颤振 （自激振动）
三、抖振 （强迫振动）
4.2 涡激振动
一、雷诺数 定义：惯性力与粘性力之比
Re vD 6.9104 vD
卡门涡列
二、斯超海尔数和锁定现象
前述尾流现象最显著的规律性是由斯超海尔 （Strouhal)最先提出的
锁定现象
五、涡激随机振动
当雷诺数Re处于超临界范围( 1105 Re 3.5106 )时，结 构物背后的湍流尾流将引起横风向的随机振动，应按随机振 动的理论进行分析。 但这里最大的区别是应采用横风向的 脉动风速谱和对应的相干函数；
4.3 横风向驰振
上一节所述的涡激振动是在结构物背后由交替的旋 涡脱落产生的，可以认为是一种稳定的振动，其激发能 量在一个特殊的频率处有一个确定的值。本节所讨论的 横风向驰振对特殊截面形状的细长结构物具有典型的不 稳定性，其截面形状如矩形、D字形或—些裹冰输电线的 有效截面形状．这些结构在垂直于气流方向上会表现出 大幅度的振动，振幅可达1—10倍以上横风向截面尺寸， 其振动频率远低于相同截面的旋涡脱落频率。
驰振是—种失稳式振动，驰振一旦发生，便成为剧 烈的振动，有导致结构破坏的危险性；
一、侧力系数和作用在柱体上的气动力
图 4-3 单自由度驰振模型
1、基于准定常理论的分析
平均阻力和平均升力在y方向上的投影：
二、单自由度驰振运动方程
邓哈托判别式：