千年前的李白告诉你,什么是涡激振动!


风起之时,义务教育必背的诗人——李白,在宣城与李云相遇并同登谢朓楼时,心中郁结,想到自己曾经历的荣辱和悲欢,仍然不能忘怀那十年前于长安呼风唤雨的得意,虽然它早已是过眼的烟云。

愤懑难平的李白便即兴创作了一首free style……《宣州谢脁楼饯别校书叔云》著名诗歌。

(图片来自:微博用户@Merasger)

来来来,我们来看这一句

(敲黑板)

“抽刀断水水更流”

这一句可了不得了!其蕴涵了丰富哲学道理:体现了规律的客观性,不以人的意志为转移。

原文大意:好像拔刀去砍流水一样,水不但没有被斩断,反而流得更湍急了。

这是为什么呢?下面开始进入正题!

这是一个钝体绕流问题。

在边缘处(刀刃)水拐了个大弯往前流,由于受到压缩速度变快(流量相等,截面积变小,速度变快)与之前的流场形成剪切层;剪切层不稳定,尤其在惯性力远大于粘性力/表面张力/地心引力,剪切层破坏形成更加湍急的漩涡。如果流速够快,或者李大侠能够卸剑划水,也许可以看到卡门涡街。

由于漩涡是非对称的,当漩涡脱离固体,所以会受到侧向力,而这个侧向力与漩涡频率有关,即当固体频率和漩涡频率接近时发生共振。由此,固体在漩涡作用下产生的振动叫涡激振动。假若塔筒的自振频率与漩涡的发放频率相接近,就会使塔筒发生共振破坏,因此这种涡激振动是极其有害的,需采取措施阻止它的发生。

也正是因此,在风电场吊装风力发电机组时有一个规定:顶段塔筒吊装完后,当天必须吊装完机舱。在风电行业内,一般有五种方法来抑制涡激振动。(转载自银河风电)

01
塔筒上安装扰流条

其原理也比较简单,该方案主要是通过加施在塔筒上的扰流条打乱来风的轨迹,使其不能形成频率稳定的漩涡。扰流条大多由塑料泡沫制作的三角柱串联而成,三根扰流条等距缠绕在塔筒上段,底部由细绳牵引至地固定。

02
阻尼器法

从涡激振动的特点看,集中质量式摆锤方案既方便又有效:作为调谐质量块,摆锤利用反方向惯性力可显着抑制塔筒振动的响应幅值。需要说明的是,摆锤的质量和摆长取决于塔筒本身的质量和刚度,那么不恰当的设计不仅不能达到减振效果,而且可能还会恶化振动情况。

03
装设缆风绳法

简单说,该方案通过缆风绳施加外力,破坏塔筒两侧的气动受力情况,并限制塔筒初始晃动的位移幅度,从而无法产生刚体自由状态下的涡激从而抑制摆振,导致塔筒无法让涡激过程中晃动产生的振动能量产生累计。

04
安装机舱、发电机、叶轮

这里分两种情况。第一,机舱、发电机安装后,不管风从哪个角度吹来,都会不同程度地受到机舱、发电机的影响,形成引起塔筒共振的稳定漩涡会打一些折扣;第二,叶轮安装后,不管风从哪个角度吹来,都会受到风轮叶面的影响,进而迅速发生的流场变化就难以形成引起塔筒共振的稳定漩涡。

05
关闭塔筒门

吊装时,当塔筒底部门关闭,由于空气本身的流通性和不可压缩性,会在塔筒内部起到阻尼器的效果,从而会减小塔筒的振动幅度。但当塔筒底部门打开时,塔筒内部由空气构成的阻尼器就失去了效果,因而无法减小塔筒的振动幅度,而且内部流通的气流会和外部的涡流产生叠加效应,从而放大了塔筒的振动幅度。

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