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[自激振动] 从抽刀断水水更流开谈涡激振动

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发表于 2019-10-9 11:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  涡激振动的“典故”有这么一说。有一天,诗仙李白心情很郁闷,拿着刀到河边去砍水,砍完后还是不爽,便把刀往河里一插,开始思考人生。可是,他发现水流在刀的阻挡下,流速并没有放缓,反而更加湍急了。于是诗仙写下了:

  《宣州谢脁楼饯别校书叔云》

  弃我去者,昨日之日不可留;
  乱我心者,今日之日多烦忧。
  长风万里送秋雁,对此可以酣高楼。
  蓬莱文章建安骨,中间小谢又清发。
  俱怀逸兴壮思飞,欲上青天览明月。
  抽刀断水水更流,举杯消愁愁更愁。
  人生在世不称意,明朝散发弄扁舟。
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  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、表面张力和地心引力,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,或许可以看到卡门涡街。当漩涡脱离固体时,由于漩涡是非对称的,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。

  总结一下:
  在一定流速的来流作用下,结构物两侧会发生交替泄涡,结构物会受到流向以及横向的周期性变化的脉动压力,如果此时结构物是弹性支撑的,或者允许发生弹性变形,那么脉动压力会引起结构物的周期性振动,结构物振动又会反过来改变其尾流结构,这种流体-结构之间的相互耦合作用称为“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration :VIV)。

  海洋石油隔水管,其圆柱状的弹性管体,使漩涡非对称的脱落形成侧向力,侧向力作用于弹性管体,使其发生变形,这个变形又反过来影响漩涡的周期性发放,最终使管体发生共振。历史上有塔科马海峡吊桥,便是因为涡激振动产生了共振而倒塌。
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  《老子》写道,水善利万物而不争。涡激振动有可利用的地方吗?其实鱼在水中游动,产生绕流,同时会产生相应的频率;显然,金鱼和鲨鱼不在一个量级,海洋中不同鱼种互不串台。海豹的胡须就是一个探测器,对食物鱼类特别敏感。胡须在食物鱼类产生的绕流中,会发生共振,由此大大提供捕食的成功几率。
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  人类正试图利用涡激振动来进行风力发电。如若成功,不需要齿轮传动装置的风力发电机,可以大大节约生产制造以及维护成本。因为可以直接利用风对高大钝体产生的涡激振动,利用振动产生的机械能发电。
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  来源:FESIM有限元分析微信公众号,作者:飞赛团队。

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