近壁面柱体涡激振动触发的临界速度

摘要

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题.海底管道的涡激振动通常会受到海床壁面影响,而呈现出与远离壁面柱体不同的幅频响应.本研究结合大型波流水槽,研制了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置;基于量纲分析理论,开展了系列水槽模型实验,同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了壁面间隙比(e/D)对柱体涡激振动触发临界速度的影响规律.采用专门设计的自下向上扫射PIV流场测量系统,针对不同间隙比条件下的固定柱体和涡激振动柱体的绕流流场特征进行了对比分析.结果表明,当间隙比e/D≧0.4时,柱体尾涡脱落的壁面效应通常可以忽略;随着间隙比减小,底部壁面对柱体后方尾涡脱落的抑制作用逐渐增大.在涡激振动触发阶段发生锁频时,柱体振动幅值和频率均发生阶跃,振幅阶跃值随着间隙比的减小而减小,而频率阶跃值则随着间隙比的减小而增大.柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间隙比减小而减小的变化趋势,对于较大间隙比e/D≧0.8,涡激振动触发的约减速度约为4.0;对于较小间隙比e/D≦0.6,涡激振动触发的约减速度在2.0～4.0之间.