涡激振动 PPT
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涡激振动实验装置的设计
实验目标
（1）垂直方向的强迫振荡并记录刚性管件模型三个方 向受力的时历 （2）水平方向的强迫振荡并记录刚性管件模型三个方 向受力的时历 （3）垂直方向和水平方向同时强迫振荡并记录刚性管 件的模型三个方向受力的时历 我们的目标是为该实验提供能在水平和垂直方向上变速运 行的装置，能在较短的时间内实现加速和减速的功能，垂 直和水平方向既能分别独立运动，又能同时协调运动，从 而带动实验对象以简谐振荡的模式运动
涡激振动实验装置的 设计
涡激振动概述
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”。
涡激振动概述
在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一 个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解 决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力 是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹 性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面， 流体动压 力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这 种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻 尼和弹性诸方面的耦合现象。
涡激振动概述
由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由 阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附 连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、 水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相 当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题 研究中的重要课题。源自研究方法 1.实验法。
工程中的振动问题 ppt课件
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16
海洋平台的减震（1983年）
渤海公司埕北油田A平台。 钻机开动时，平台振动强烈，生活区工人
很难入睡。 强烈振动有可能影响平台的寿命。 要求分析原因，采取有效的减震措施。
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17
海洋平台的结构示意
钻机转速有三档，现用 一档。
三档转速为： n=90，120，150r/min
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3
矿山通风机叶片开裂的治理（1990年）
平顶山矿 2K58-30通风机。 沈阳风机厂生产。 1988年11月至1989年10月，14支叶片开裂，
故被煤炭部冻结销售。 要求分析开裂原因，提出根治的措施。
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4
2K58-30通风机的结构示意
转速 600r/min。
11 19
中导叶数 z2 =19, 机器转速为
n=10Hz。
扰动频率为nz1和 nz2。
0 50 100 150 200 250 300 Hz
扰动频率带为绿色区，不会激起叶片 共振。
改进工艺，减小叶片制造质量和频率
分散度。
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10
风机的减震和隔震（1996年）
北京燕山石化一厂聚苯一烯车间，屋顶 上装有三台通风机F-730、731、732。
平台高度为 20多米，面 积有如半个足球场。
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18
海洋平台的减震分析
初步观察：
走廊作水平转动，平台四角作 切向运动，故平台作扭转振动。
有限元计算：
第一阶扭振固有频率1.12Hz
实测：
固有频率1.1Hz。 扭转扰动频率：1.5Hz
结论： 平台为处于扭转共振中。
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物理人教版(2019)选择性必修第一册2.6受迫振动 共振(共19张ppt).ppt
2.观察实际振动，你会发现什 么现象？将振动装置放入水中， 你会发现什么现象？
阻尼振动 1.定义：当系统受到阻力的作用时（我们说振动受到了阻尼）振 幅减小，最后停下来。这种振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动。 2.特点：振幅减小，频率不变。
思考：荡秋千最终停下来，那么怎样才能不停下来呢？
二：受迫振动 演示：实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子,匀速摇动手柄,下面 的弹簧振子就会振动起来。
受迫振动 1.定义：使振动维持下去的这种周期性的外力叫做驱动力，系统在 驱动力下的振动叫做受迫振动。 2.特点：受迫振动稳定后的频率等于周期性驱动力的频率，跟系统 的固有频率无关
思考：那么在受迫振动中的振幅有何变化？
三：共振 结论：当驱动力频率f等于系统的固有频率fo时，受迫振动的振幅 最大。这种现象叫做共振。 Nhomakorabea习题
1.如图所示是单摆做阻尼振动的位移—时间图线，下列说法中正 确的是( AD ) A.摆球在P与N时刻的势能相等 B.摆球在P与N时刻的动能相等 C.摆球在P与N时刻的机械能相等 D.摆球在P时刻的机械能大于N时刻的机械能
2.如图所示，把两个弹簧振子悬挂在同一支架上，已知甲弹簧振子的固有 频率为8Hz，乙弹簧振子的固有频率为72Hz，当支架在受到竖直方向且频率 为9Hz的驱动力作用下做受迫振动时，两个弹簧振子的振动情况是( B) A.甲的振幅较大，且振动频率为8Hz B.甲的振幅较大，且振动频率为9Hz C.乙的振幅较大，且振动频率为9Hz D.乙的振幅较大，且振动频率为72Hz
3.一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的 关系)如图所示，则( B ) A.此单摆的固有周期约为0.5s B.此单摆的摆长约为1m C.若摆长增大，单摆的固有频率增大 D.若摆长增大，共振曲线的峰将向右移动
阻尼振动 1.定义：当系统受到阻力的作用时（我们说振动受到了阻尼）振 幅减小，最后停下来。这种振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动。 2.特点：振幅减小，频率不变。
思考：荡秋千最终停下来，那么怎样才能不停下来呢？
二：受迫振动 演示：实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子,匀速摇动手柄,下面 的弹簧振子就会振动起来。
受迫振动 1.定义：使振动维持下去的这种周期性的外力叫做驱动力，系统在 驱动力下的振动叫做受迫振动。 2.特点：受迫振动稳定后的频率等于周期性驱动力的频率，跟系统 的固有频率无关
思考：那么在受迫振动中的振幅有何变化？
三：共振 结论：当驱动力频率f等于系统的固有频率fo时，受迫振动的振幅 最大。这种现象叫做共振。 Nhomakorabea习题
1.如图所示是单摆做阻尼振动的位移—时间图线，下列说法中正 确的是( AD ) A.摆球在P与N时刻的势能相等 B.摆球在P与N时刻的动能相等 C.摆球在P与N时刻的机械能相等 D.摆球在P时刻的机械能大于N时刻的机械能
2.如图所示，把两个弹簧振子悬挂在同一支架上，已知甲弹簧振子的固有 频率为8Hz，乙弹簧振子的固有频率为72Hz，当支架在受到竖直方向且频率 为9Hz的驱动力作用下做受迫振动时，两个弹簧振子的振动情况是( B) A.甲的振幅较大，且振动频率为8Hz B.甲的振幅较大，且振动频率为9Hz C.乙的振幅较大，且振动频率为9Hz D.乙的振幅较大，且振动频率为72Hz
3.一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的 关系)如图所示，则( B ) A.此单摆的固有周期约为0.5s B.此单摆的摆长约为1m C.若摆长增大，单摆的固有频率增大 D.若摆长增大，共振曲线的峰将向右移动
涡激振动的频率和固有频率的关系
涡激振动的频率和固有频率的关系下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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中小学优质课件振动图像和波动图像课件.ppt
①波的频率； ②波的传播速度。
y/cm 1
(2) 解：
0 12
-1
f=1/T=0.25HZ
依题意，
x2
x1
(n
1 4
)
v f
x1
x2
t/s
3 45 6
v 3 4n 1
007.东北师大附中07—08学年上学期二摸9、
9．如图所示，甲图为沿x轴传播的一列简谐横波在
t=0时刻的波动图象,乙图为参与波动的质点P的振动
058. 08年苏、锡、常、镇四市教学情况调查(二)13.(2)
13．（2）（6分）（供选修3-4考生作答） 一简谐横波沿x轴正方向传播，在t=0时刻的波形如图 所示．已知介质中质点P的振动周期为2s，此时P质点 所在位置的纵坐标为2cm，横坐标为0.5 m．试求从图 示时刻开始在哪些时刻质点P会出现在波峰？
0.8 K
0.8
0
LN 0.51.01.5 2.0 x/m
0 1 2 3 4 t/s
-0.8
M
-0.8
甲
乙
gk007.2008年高考理综天津卷21
21．一列简谐横波沿直线由a向b传播，相距10.5m
的a、b两处的质点振动图象如图中a、b所示，则
（ D）
y/cm
A．该波的振幅可能是20cm
10 b a
点相距4.42 m。图中实、虚两条曲线分别表示平衡
位置在a、b两点处质点的振动曲线。从图示可知
（ AC ） A．此列波的频率一定是10 Hz B．此列波的波长一定是0.1 m C．此列波的传播速度可能是34 m/s D．a点一定比b点距波源近 y
解见下页
0 0.03 0.1 t/s
《机械振动》张义民—第1章ppt
●引起噪声污染； ●影响精密仪器设备的功能，降低机械加工 的精度和光洁度；
●加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结构 物的使用寿命； ●消耗机械系统的能量，降低机器效率；
●使结构系统发生大变形而破坏，甚至造成 灾难性的事故，有些桥梁等建筑物就是由 于振动而塌毁；
●机翼的颤振、机轮的摆振和航空发动机的 异常振动，曾多次造成飞行事故；
●恶化飞机和车船的乘载条件，等等。
地震，群灾之首。 强烈的破坏性地震 瞬间将房屋、桥梁、 水坝等建筑物摧毁， 直接给人类造成巨 大的灾难，还会诱 发水灾、火灾、海 啸、有毒物质及放 射性物质泄漏等次 生灾害。
地震的破坏
唐山大地震
台湾大地震
土耳其大地震
印度洋强震引发海啸席卷南亚东南亚
振动引起的转子系统破坏
利用振动监测机器设备的运行
故障诊断或健康检测原理示意图
在实际工程和日常生活中，振动问题随处可见
工程系统如机械、车辆、船舶、飞机、航天器、建筑、 桥梁等都经常处在各种激励的作用下，因而会不可避免 地产生各种各样的振动，可见振动力学在工程实际中有 着广泛的应用。例如在机械、电机工程中，振动部件和 整机的强度和刚度、大型机械的故障诊断、精密仪器设 备的防噪和减振等问题；在交通运输、航空航天工程中， 车辆舒适性、操纵性和稳定性等问题，海浪作用下船舶 的模态分析和强度分析，飞行器的结构振动和声疲劳分 析等问题；在电子电信、轻工工程中，通信器材的频率 特性、音响器件的振动分析等问题；在土建、地质工程 中，建筑、桥梁等结构物的模态分析，地震引起结构物 的动态响应，矿床探查、爆破技术的研究等问题；在医 学、生物工程中，脑电波、心电波、脉搏波动等信号的 分析处理等问题。
自然界中的振动现象
●人们可以根据逐年的气象情况统计出气候周期性的 振动规律，根据这一规律可预估气候趋势，对生产与 生活、抗洪和抗旱、防灾及减灾等有着重要的意义。
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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。
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
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”。
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
（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，岂非“反者
道之动，弱者道之用”乎。
那么最后，为了使涡激振动的效率更高，在技术 上的核心问题便是：
“什么样的节奏，是最呀最摇摆？”
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。
塔
形
钻井平台的基座
建
筑
海底缆绳
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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。
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
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）。
研究方法
半经验方法 半经验公式主要有尾流阵子，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)
危害及预防
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
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
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”。
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
（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，岂非“反者
道之动，弱者道之用”乎。
那么最后，为了使涡激振动的效率更高，在技术 上的核心问题便是：
“什么样的节奏，是最呀最摇摆？”
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。
塔
形
钻井平台的基座
建
筑
海底缆绳
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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。
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
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）。
研究方法
半经验方法 半经验公式主要有尾流阵子，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)
危害及预防
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