涡激振动与锁定现象

weixin

海水中工作的有船舶、海洋平台、深潜艇等，它们均会受到波浪力、风力、流的作用，一些还会受到冰的作用如破冰船，南北极工作的船和平台。接下来我主要想说的是海洋平台或是船舶在水中的波浪载荷的其中一种，涡激振动与其衍生的锁定现象。这个现象是很严峻的，我国早期很多海洋平台由于没有考虑到锁定现象而损害，这里不一一赘述。

首先，我们应该先知道什么是涡激振动。在了解涡激振动之前，我想先简单介绍一下卡门涡街，它是这样定义：卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如图：

图为流体绕柱最开始情况

图为经过一定时间后产生的卡门涡街

我们必须知道卡门涡街是在流体雷诺数增大到一定程度才会产生的，所以对于流体作用于结构来说，也需要一定的条件才能产生漩涡。

那么，涡激振动呢？

首先，我们先要知道，在漩涡产生的过程中，是交替脱落的，那其中一个脱落，另一个还没有，这样在横向方向便会产生压强差。很明显，产生气泡的一侧压强低，这样就会有力的作用，产生一个横向力，我们叫它升力；又由于是漩涡产生，我们就叫它涡激升力。这样，涡激升力便会一会儿向上，一会儿向下成为周期性力，这样就会强迫振动。

强迫振动的作用力为简谐力，那么我们就可以用Acos(wt) 来表示，便会有一个关于结构的振动方程。它的解是作用力与刚度的比值，再乘动力放大系数，当外力角频率与系统角频率相近时，此时就会产生共振现象。共振，顾名思义，就会产生很大很大的位移，这样便共振。

当涡激升力频率与系统固有频率相近，那么漩涡释放频率便会固定在结构的固有频率上，此时很危险，结构会剧烈的振动抖振，这个现象就叫做锁定现象。我们不要小看这个锁定现象，共振的威力大家都听说过，二战时期德国军队将桥震断，美国大桥与风共振被吹断，这些例子都让我们对振动的危害很关心。尤其是海上工作平台或者船舶，船舶螺旋桨的涡激振动会让推进系统很快变坏，而且速度噪声很大，海洋平台也会因为涡激振动难以工作或者结构被损害。所以，研究这些是很必要的。

对于减缓锁定现象的影响，我们可以改善尾流流场，扇叶型螺旋桨就是可以改变流场，这样就会改变漩涡脱落的频率方式，可以有效的改善锁定现象。当然，我们还可以从共振的角度来看，通过改变结构的刚度，改变质量来改变结构的固有频率，使结构固有频率和振动力频率错开，这样便可以大大的减少共振带来的不便。

涡激振动尤其对海洋工程影响较大。在海洋工程工作时，受到海浪的作用力产生升力，这个升力就是由于涡激振动产生的，当与海洋工程频率相同时，会对海洋工程产生十分不好的影响。我国做得很好的一个创新方面就是981海洋工程平台，一种主动的控制外力的系统，它明显区别于上述的传统方法，而是在海洋工程中施加感应器，施加反方向的力来主动抵消外作用力，达到很好的效果，不过这套系统对力的感知系统灵敏度较高，而且疲劳会大大的增加。

涡激振动的主要产生原因还是流体的粘性。根据雷诺数的定义

我们可以改变速度和长度尺度来改变雷诺数，以达到减小涡激振动的大小与频率，控制卡门涡街产生的升力或横向力。

在我看来，有些时候可以利用卡门涡街产生的涡激振动来成为一个对我们有利的因素。通过对固定在流体中的物体进行流体实验，在物体后方会产生卡门涡街，固定物体处安装力传感器，当力达到一定值时，会共振，此时我们可以测量卡门涡街的释放频率或计算其频率来得到物体的固有频率。还可利用涡激振动在海水中产生声，我们都知道深海里光是几乎不能传播的，所以可以用这个声音来定位代替声呐。

参考文献：
[1] 唐友刚，樊娟娟，张杰，等.高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析[J].振动与冲击，2013，32（13）：88-92.
[2] 毛良杰，刘清友，周守为，等.剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理[J].石油勘探与开发，2015，42（1）：101-106.

来源：内容整理自道客巴巴，作者：严博骞。