涡激振动
高原风力发电风轮叶片的涡激振动与失效分析
高原风力发电风轮叶片的涡激振动与失效分析随着可再生能源的需求不断增加，风能作为其中重要的组成部分得到了广泛关注。
而高原地区由于地理环境的特殊性，其风力资源相比平原地区更为丰富。
因此，高原地区的风力发电项目越来越多。
在高原风力发电中，风轮叶片作为风转动力的接受者和转化器，其性能和可靠性直接影响风力发电系统的整体效率和运行稳定性。
然而，高原地区的特殊地理和气候条件，使得风轮叶片面临着一系列挑战，其中之一就是涡激振动和失效问题。
首先，我们需要了解涡激振动是什么以及为什么会在高原地区特别显著。
涡激振动是指当风经过叶片表面时，会形成一系列旋转的涡流，这种涡流会对叶片表面施加周期性的压力和拉力，从而引起叶片的振动。
而高原地区的气候条件，如气温低、大气稀薄等，会导致风速较高，气流较不稳定。
这些因素使得涡激振动在高原地区的风力发电系统中更加显著。
接下来，我们将进行高原风力发电风轮叶片的涡激振动分析。
在分析之前，我们需要收集相关的数据和样品以进行实验和测试。
通过检测风轮叶片在高原地区典型工况下的振动情况，我们可以获得叶片的自然频率、振型特征以及响应幅值等数据。
同时，我们还需对叶片材料进行力学性能测试，以了解叶片的强度和刚度等参数。
在实际应用中，我们可以利用计算机模拟的方法，对高原风力发电风轮叶片进行涡激振动分析。
通过建立数学模型，运用数值计算方法，我们可以得到叶片受到涡激振动的具体响应情况。
在分析时，我们需考虑叶片结构的复杂性和非线性特征，同时还需考虑高原地区的环境因素，如风速、大气条件等。
通过模拟分析，可以评估叶片的疲劳寿命、振动稳定性和失效风险等指标。
除了涡激振动对叶片的影响外，高原地区特殊的气候条件也会对叶片的可靠性造成影响。
例如，气温的变化可以导致叶片材料的热膨胀不均匀，从而引起叶片的应力集中和破裂。
而大气稀薄则会增加风力发电系统中的振动和冲击负荷，加剧叶片的疲劳破损。
针对高原地区风力发电风轮叶片的失效问题，我们可以采取一系列的措施来提高其可靠性和耐久性。
涡激振动、驰振条件
涡激振动、驰振条件
涡激振动是一种流体力学现象，它发生在流体通过一个物体时，产生的涡流与物体的共振频率相匹配而引起的振动。
涡激振动在许多工程领域中具有重要的应用，例如飞机和桥梁设计中的气动稳定性和结构动力学。
驰振是指在某种振动系统中，物体在一定的外部激励下，振幅不断增大的现象。
驰振的产生需要满足驰振条件，即外部激励频率与振动系统的固有频率相近时，振幅会不断增大，直到系统损坏或失稳。
在涡激振动中，驰振条件是指涡流产生的频率与物体的固有频率相近时，涡激振动会出现驰振现象。
由于涡流的频率通常比固有频率高得多，因此涡激振动的驰振条件比较严格，需要对流场和结构进行精确的分析和设计。
为了避免涡激振动带来的危害，工程师们通常会采取措施来减小涡流的强度或改变物体的固有频率，以达到避免驰振的目的。
这包括改变物体的几何形状、添加减振器或采用其他流体控制技术等。
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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。
涡激振动方法的
0引言结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。
例如，涡激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。
关于涡激振动的众多问题中的这几个事例是非常重要的。
1研究涡激振动的目的研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。
研究流体涡激振动的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier-Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格子尺度模型），和他们的各种结合来研究。
数值模拟方法是受到全新的测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。
这些技术与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟实验的指导作用[2]。
2涡激振动的实验研究从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。
第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动得到结果。
第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。
这个基座使用可调弹簧与阻尼器做成的。
事实上，第二种选择是试图直接研究涡街脱落现象的方法。
从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。
结构风工程讲义--涡激振动
结构风工程学习资料---涡激振动当风流经细长钝体时，会产生流动分离以及周期性的旋涡脱落，从而在钝体上下表面出现正负压力的交替变化，这种压力的交替变化形成作用于钝体的涡激气动力，在一定条件下，会引起结构在横风向或扭转方向发生涡激共振。
涡振是一种带有强迫和自激双重性质的风致限幅振动，是结构中一种常见的风致振动。
涡振虽不具有很强的破坏性质，但由于其发生风速较低，长时间持续的振动将会造成结构损伤或疲劳破坏。
对于高层建筑，涡振引起的加速度会影响人的居住。
对于桥梁，涡振会影响行车的舒适性和安全性。
研究涡振主要关心三个问题：涡振风速、涡振频率和振幅。
1.2 涡激振动研究简介达·芬奇通过对水流的深入地观察、深刻的理解涡的运动形态，第一次提出了“涡”（eddy）的概念（Frisch, 1995）。
他一生画了许多幅关于流体运动的画，如图所示。
达芬奇通过二维的静止画面将流动和涡的不定常、三维图画描绘的熠熠如生。
就象图中的老人观察到的，钝体后面总是有涡街。
此后的多位科学家均是在达·芬奇画作的启发下对流体展开的研究。
涡在流体绕钝体的流动中十分明显，其运动特性至今仍是流体力学研究的热点。
达芬奇关于涡的画作Strouhal在1878年率先对风声开展科学试验，图1-4所示为Strouhal旋转臂装置示意图，杆或张拉线M在框架A中绷紧，围绕柱体K转动。
控制轮S使M稳速旋转，采用Koenig听力计可测量声调。
Strouhal发现声调不依赖于杆或丝线张力、长度和材料，仅依赖于转动速度和杆的直径。
此外，他还观察到当涡脱频率被丝线自然频率锁定时丝线振动将会出现同步现象。
图1-4 Strouhal 旋转臂装置Strouhal 试验结果显示在一定条件下，气流流经固定的钝体时会脱落出交替的旋涡，其主频率f 可以由Strouhal 关系式得出：St UfD （1-1） 式中St 为Strouhal 数，D 代表物体的横风向尺寸，U 为浸没物体均匀流动的平均速度。
基于功率方程的圆柱体涡激振动研究
基于功率方程的圆柱体涡激振动研究涡激振动是一种重要的流固耦合问题，通常发生在流体经过圆柱体等物体时，因尾流和湍流的作用而产生的激励力，导致物体发生振动。
圆柱体涡激振动在许多领域中都有着广泛的应用，比如建筑工程、风力发电、航空航天等。
为了更好地研究圆柱体涡激振动问题，我们可以基于功率方程来进行研究。
首先，我们需要了解功率方程在涡激振动中的应用。
功率方程是描述振动过程中能量转换的重要方程，可以帮助我们分析涡激振动中的能量转换过程。
在圆柱体涡激振动中，流体经过圆柱体时会受到激励力的作用，使圆柱体发生振动。
这时，我们可以通过功率方程来计算激励力对圆柱体的功率输入，从而了解振动过程中的能量交换情况。
其次，我们可以通过分析功率方程中的各项来探讨涡激振动中的耗散机制。
在圆柱体涡激振动中，由于粘性阻力等因素的存在，能量会不可避免地被耗散掉。
通过功率方程，我们可以计算出振动系统中各个环节的功率损失，从而揭示出耗散机制对振动系统的影响。
另外，我们还可以通过功率方程来优化圆柱体的结构设计。
在实际工程中，圆柱体的结构参数对涡激振动有着重要的影响。
通过分析功率方程，我们可以得出不同结构参数对振动系统能量转换效率的影响，从而指导优化圆柱体的设计方案，减小振动系统的能量损耗，提高系统的性能。
总之，基于功率方程的圆柱体涡激振动研究可以帮助我们更深入地理解振动系统中的能量转换和耗散过程，为优化设计提供理论支持。
未来，在圆柱体涡激振动领域的研究中，我们可以进一步深化功率方程的应用，结合数值模拟和实验研究，探索出更多新颖的振动控制方法，为实际应用提供更好的技术支持。
涡激振动计算公式
涡激振动计算公式一、涡激振动的基本概念。
涡激振动是一种流固耦合的振动现象，当流体流经非流线型物体时，在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的漩涡，漩涡的周期性脱落会对结构物产生周期性的作用力，从而导致结构物发生振动。
二、涡激振动的一些重要参数和相关公式推导基础。
1. 斯托罗哈数（Strouhal number）- 斯托罗哈数St = f_stD/U，其中f_st是漩涡脱落频率，D是结构物的特征尺寸（例如圆柱的直径），U是来流速度。
斯托罗哈数主要取决于结构物的形状和雷诺数Re（Re=(UD)/(ν)，ν为流体的运动粘度）。
对于圆柱结构，在亚临界雷诺数范围（300 < Re<3×10^5）内，St≈0.2。
2. 涡激升力。
- 假设涡激升力F_L与来流速度U、流体密度ρ、结构物特征尺寸D以及漩涡脱落频率f_st有关。
根据量纲分析，可得到F_L = C_L(1)/(2)ρ U^2DL，其中C_L为升力系数，L为结构物在垂直于来流方向的长度。
3. 结构物的振动方程。
- 对于一个单自由度的结构物振动系统，其振动方程为m ÿ+c ẏ+ky = F(t)，其中m是结构物的质量，c是阻尼系数，k是结构物的刚度，y是结构物的位移，ÿ是加速度，ẏ是速度，F(t)是作用在结构物上的随时间变化的力（在涡激振动中F(t)与涡激升力等有关）。
- 在涡激振动情况下，当漩涡脱落频率f_st接近结构物的固有频率f_n=(1)/(2π)√(frac{k){m}}时，会发生共振现象，此时结构物的振动幅度会显著增大。
4. 涡激振动的锁定（lock - in）现象相关公式。
- 在锁定区间内，漩涡脱落频率f_st不再遵循斯托罗哈数关系，而是被结构物的振动频率所“捕获”，即f_st = f_n。
此时，根据St = f_stD/U，可以得到U =f_nD/St，这个速度称为锁定速度。
当来流速度在锁定速度附近时，结构物的涡激振动响应最为强烈。
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。
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（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
涡激振动这种现象难道只有坏处没有好处吗？《老子》讲 “水善利万物而不争”难道是假的吗？当然不是假的，还 真有动物是靠涡激振动活的，就像海豹。
鱼在水中游泳，不断地滑动，产生特定频率的扰流。显然，鲨 鱼和金鱼肯定不在一个频道上，每个鱼一种不串台。海豹的胡 须（见顶端题图）就是一个探测器，对其食物鱼种的频率特别 敏感，敏感的原因就是胡须的共振频率与该鱼的尾迹频率接近。 所以给海豹刮了胡子，它就饿死了；同样也可以通过制造这种 频率来吸引海豹。
涡激振动的概念
从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流 速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。 对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发 放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉 动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发 生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振 动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡 发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激 振动”。
研究方法
半经验方法 半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流 体力组分模型。
研究方法
流固耦合数值计算软件
Ansys+CFX
Fluent+Abaqus Adina
通过以上方法进行研究，我们基 本就可以做到“最摇摆”了 O(∩_∩)O~~
COMSOL Multiphysics(FEMLAB)
当漩涡脱离固体的时候，由于非对称性，固体将受到侧向力。涡街 是有规律的周期性现象，也就是说漩涡的形成和这个侧向力的作用， 是具有一定频率的。而固体结构本身也有自然频率，当这两个频率 接近时即发生共振（resonance）。 固体在流体漩涡作用下而产生的振动，称为涡激振动（Vortex Induced Vibration），简称VIV
我们熟知的风力发电机是这样：
如此无齿之风电机你见过吗？这是西班 牙一家叫作Vortex Bladeless的公司，设 计风力发电机这些棒棒是如何发电的呢？ 高大粗壮、木秀于林的钝体迎风招展， 但其表面却并没有防止涡街形成的肋片， 因为它要的就是涡激振动。
不难想见，这种像集体磕摇头丸的发电方式，其最大优势 就是便宜。因为最贵最麻烦的传动系统没有了，而且传动 系统也是最容易坏最需要维护的部件。能量的来源就是漩 涡产生的振动机械能，再通过底座的转换器变为电能。根 据其官网数据，可以节省近半甚至更高的成本
涡激振动
风的振动
按响应的性质来看
抖振 涡激振动 自激振动
驰振 颤振
李白今天心情不爽，掏出随身携带 的管制刀具砍水，砍完之后还是不 爽，把刀往水里一插，开始思考人 生。 然后机智的李白发现，刀插进水里， 水流不仅没有放缓，反而更加湍急 了，于是他写下了“抽刀断水水更 流”。
这是一个钝体绕流问题。如上图，在边缘（刀刃）处水拐 不了那么大弯继续向前，并且由于受到压缩速度变快了， 这就与钝体下游原本的流场形成了剪切层（shear layer）。 剪切层是不稳定的，当惯性力远大于粘性力/表面张力/地 球引力时，剪切层即崩坏形成漩涡。这样的作用下，水流 显得更加湍急闹心了。如果流速够快，或者李白大侠内力 够强御剑划水的话，或许还能够看到涡街（vortex street） 现象。