涡激振动 ppt课件

风力发电机组塔架涡激振动计算与减振

I. 前言

风力发电已成为当今清洁能源的重要组成部分，风力发电机组作为其中的重要设备之一，其稳定运行对于整个风电场的效率和可靠性至关重要。然而，风力发电机组在运行过程中可能会受到风载荷以及塔架结构自身的影响而产生涡激振动，这种振动会对风力发电机组的性能和寿命造成负面影响。对塔架涡激振动的计算和减振技术的研究显得尤为重要。

II. 塔架涡激振动计算

1. 塔架涡激振动的成因

塔架涡激振动是指在风力发电机组运行过程中，由于风力与塔架结构之间的相互作用产生共振振动。其中，风载荷对于塔架的作用是主要原因之一，而风的涡激效应又会进一步加剧振动的产生。

2. 塔架涡激振动的计算方法

针对塔架涡激振动，目前常用的计算方法包括数值模拟和实验研究两种途径。数值模拟通常采用计算流体力学（CFD）模拟风场对塔架的作用，以及有限元分析（FEA）模拟塔架的结构响应，从而得出振动情况。而实验研究则是通过实际搭建塔架模型，采用风洞测试或者风力发电场实际数据的采集，来研究塔架涡激振动的情况。

III. 塔架涡激振动的减振技术

1. 被动减振技术

被动减振技术主要是通过在塔架结构上安装减振装置，来消除或减小风载荷和结构共振所引起的振动。常见的被动减振技术包括阻尼器的应用、质量块的加装、以及振动吸收器等。

2. 主动减振技术

主动减振技术采用控制系统对风力发电机组进行实时监测和调控，以减小涡激振动的影响。主动减振技术常采用的手段包括振动控制系统、智能材料的应用以及振动补偿技术等。

IV. 结语

风力发电机组的稳定运行对于提高风能利用效率和减小对环境的影响至关重要。塔架涡激振动作为影响风力发电机组运行和寿命的重要因素，其计算与减振技术的研究具有重要意义。通过对塔架涡激振动的深入研究和有效的减振技术的应用，能够提高风力发电机组的稳定性和可靠性，进一步推动清洁能源的发展和利用。V. 国内外研究现状

1. 国内研究现状

在国内，关于风力发电机组塔架涡激振动的研究已经取得了一定的进展。一些高校和科研机构通过对风场与塔架的相互作用进行数值模拟研究，探索了不同风速、风向对塔架振动的影响。也有一些学者通过风洞实验验证了数值计算的准确性，为塔架涡激振动的分析提供了可靠的实验数据。

流致振动原因

流致振动，也被称为涡激振动，是一种机械系统中常见的不稳定振动现象。当流体通过某一结构或设备时，由于流体与结构的相互作用，会引起结构的振动，从而产生流致振动。本文将通过对流致振动的原因进行深入剖析，并提供对这一现象的观点和理解。

1. 流体激励

流体激励是引起流致振动的主要原因之一。当流体通过结构时，会在结构表面产生压力波动，这些波动会作用在结构上，引起结构产生振动。流体激励的强度和频率取决于流体的速度、密度和粘度等参数，以及结构的几何形状和表面特性等因素。

2. 自激共振

自激共振是流致振动的另一个重要原因。当结构的固有振动频率与流体激励频率接近时，就会发生自激共振现象。在这种情况下，流体激励与结构的振动相互放大，并形成不稳定的振动模式。自激共振的产生需要满足一定的共振条件，包括结构的固有频率、流体激励频率和结构的阻尼等因素。

3. 气动力失稳

气动力失稳是导致流致振动的另一个重要机理。当流体通过结构时，会产生气动力作用在结构表面上。由于流动的非线性特性和结构的非线性耦合效应，气动力可能会发生失稳，从而引起结构的振动。气动力失稳的发生主要取决于流体的速度、密度和粘度等参数，以及结构表面的形状和光滑度等因素。

4. 涡激共振

涡激共振是流致振动的一种特殊形式，通常发生在边界层或尾迹处。当流体通过结构时，会在结构背后形成涡流，这些涡流会作用在结构上，产生振动。涡激共振的发生需要满足一定的共振条件，包括涡流的频率、结构的固有频率和流体的速度等因素。

流致振动的原因主要包括流体激励、自激共振、气动力失稳和涡激共振等。这些原因之间相互关联，共同作用，导致结构产生不稳定的振动。了解流致振动的原因有助于我们对振动现象的预测和控制，从而提高结构的稳定性和可靠性。

对于流致振动这一现象，我认为需要重视振动控制的手段和方法。通过对流体运动的控制，可以减小或消除流体激励，从而降低流致振动的强度和影响。结构的优化设计和材料的选择也是减小流致振动的重要手段。通过合理的结构设计和材料选用，可以提高结构的刚度和阻尼，从而抑制振动的产生。

海洋立管涡激振动抑制方法

嘿，你知道海洋立管不？这在海洋工程里可是个相当重要的家伙呢。就像是海洋和海上平台之间的一个桥梁，石油啊，天然气啥的，都得靠它运输。可是呢，这海洋立管有个大麻烦，那就是涡激振动。这涡激振动就像一个调皮捣蛋的小恶魔，老是给海洋立管找麻烦。

我有个朋友叫小李，他就在搞海洋工程相关的研究。有次我们聊天，他就跟我大倒苦水啊。他说，你看这涡激振动，一旦发生了，那立管就晃悠个不停。这晃悠可不是小事儿，就像一个人老是被人在耳边嗡嗡嗡地吵，心烦意乱不说，时间长了还可能把身体搞垮。海洋立管也是这样，这涡激振动要是不加以抑制，立管可能就会疲劳损坏，这维修起来成本可高了，搞不好还会造成泄漏啥的，那对海洋环境的破坏可就大了去了。

那怎么来抑制这个涡激振动呢？这可有不少的办法呢。

有一种方法就像是给海洋立管穿上一层防护服，这就是附加阻尼装置。我记得有一次去一个海洋工程的展览，看到一个模型，讲解员就跟我们说这个阻尼装置的妙处。这个装置安装在立管上，就好比是给一个容易晃悠的杆子加上了一些缓冲的东西。当涡激振动产生的时候，这个阻尼装置就能吸收能量，就像海绵吸水一样。这样立管就不会晃悠得那么厉害了。不过呢，这阻尼装置也不是完美的，它的设计和安装都得特别讲究，要是没弄好，就像一件不合身的衣服，起不到应有的作用。还有一种方法，那就是改变立管的形状。这就好比是给一个人换个姿势，让他站得更稳。我有个同事小王，他以前在做一个关于海洋立管的项目的时候，就提出过这个想法。他说，把立管的截面形状从圆形变成椭圆形或者其他特殊形状，那涡旋脱落的规律就会改变。就像水流过不同形状的石头，产生的漩涡是不一样的。这样一来，涡激振动的强度就会大大降低。但是这改变形状也不是随便改的，得考虑很多因素，像立管的功能啊，安装的难度啊之类的。

另外呢，控制立管周围的流场也是个好办法。这就像是在一条湍急的河流里，想办法让水流变得平缓一些。我在一次研讨会上听到一位专家讲这个事儿。他说可以通过在立管周围安装一些导流装置，就像在河边砌上一些小矮墙，引导水流的方向。这样水流在流过立管的时候就不会产生那种让立管振动的漩涡了。可是这导流装置也得精心设计，要是设计不好，就像在河里乱砌墙，不仅不能让水流平缓，还可能让水流更乱呢。

涡激振动、驰振条件

- 1 - 涡激振动、驰振条件

涡激振动和驰振是流体力学中的两种流动不稳定现象，它们都可能导致结构破坏和设备失效。

涡激振动通常发生在流体通过结构物边缘或障碍物时，流体在边缘或障碍物周围形成涡，这些涡产生周期性的压力脉动，使结构物发生振动。涡激振动的发生与流体的速度、密度、黏度、结构物形状和流动条件等因素有关。

驰振是指结构物在自然频率附近受到外力激励时发生的振动。当外力频率与结构物固有频率相同或接近时，结构物的振幅会不断增大，最终导致结构破坏。驰振的发生与外力频率、振幅、结构物质量、刚度和阻尼等因素有关。

为避免涡激振动和驰振的发生，需要对流体力学和结构力学进行详细的分析和计算，确定流动条件和结构参数的合理范围，以保证设备的安全稳定运行。

涡激振动方法的

科技信息ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期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。以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而，需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向：是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.MorseaandWilliamson,2006;Morsea,etal.,2008）。流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率fvs将与固定圆柱的振动频率fst相同，即，fst是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率fex。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，fst≈fex）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率fn，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（KrenkandNielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St=0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页）涡激振动研究方法的探讨房建党（上海海事大学物流工程学院，中国上海201306）【摘要】涡激振动（VIV）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟【Abstract】ThesubjectofVIVsispartofanumberofdisciplines,incorporatingfluidmechanics,structuralmechanics,vibrations,computationalfluiddynamics(CFD),acoustics,wavelettransforms,complexdemodulationanalysis,statistics,andsmartmaterials.Vortex-inducedvibration(VIV)ofstructuresisofpracticalinteresttomanyfieldsofengineering.Therearethreemethodsonvortex-inducedvibration：Experimental,Numericalsimulations,semi-empiricalformula,andnowwemainlyintroduceExperimentalstudiesandNumericalsimulationsonvortex-inducedvibration.【Keywords】Vortex-inducedvibration；Objective；Experimental；Numericalsimulations

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：

StUfD （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。

涡激共振现象

嘿，今天咱们聊聊涡激共振现象。这东西听起来高大上，其实就是水流和物体表面摩擦产生的那些“嗡嗡”声。记得有一次，我在河边散步，看到一个大石头，突然一阵阵“嗡嗡嗡”的声音从石头下面传出来，像是在抗议，又像是在唱歌。

我好奇地问边上的一位老渔民：“老哥，这石头咋会唱歌呢？”老渔民一笑：“哎呀，这叫涡激共振，简单说就是水流和石头表面的摩擦，产生了频率一致的振动，就像人唱歌一样，发出了声音。”

哦，原来如此。我继续追问：“那这现象有啥用呢？”老渔民琢磨了一下，笑着说：“用处可大了。咱们渔民就用这个原理来探测鱼群。当鱼群游动时，会产生涡流，和石头摩擦产生共振，我们就能听到‘嗡嗡’声，据此判断鱼群的位置。”

我瞪大了眼睛，惊讶地问：“真的吗？那得有多灵敏的耳朵啊！”老渔民摇摇头：“耳朵灵敏不重要，重要的是对水性的了解。我们渔民在这片水域摸爬滚打了大半辈子，对水里的动静早已经了如指掌。”

说着，老渔民拿起渔网，笑着对我说：“来，我带你体验一下。”我跟着他来到河边，他让我靠近那块会“唱歌”的石头，耳边果然传来了“嗡嗡”声。突然，声音变得急促，老渔民迅速将渔网撒向水中，很快，他手里就提着一条大鱼。

我感叹道：“这涡激共振现象可真神奇啊！”老渔民笑着摇摇头：“别看它神奇，但也不能小看了大自然的力量。我们得尊重自然，才能从自然中获益。”

涡激振动、驰振条件 2

- 1 - 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。

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。

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mÿ+cẏ+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。