袁欣欣

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州 253000)

渦激共振是指風(fēng)場中的渦流與煙筒的振動頻率發(fā)生共振,引起煙筒的大幅度振動。對于高聳煙囪而言,其可能是由于風(fēng)場中的大氣渦流與煙囪的橫截面相互作用引起的。耦合過程研究旨在探討渦激共振是如何發(fā)生的,包括風(fēng)場中的渦流如何與煙筒振動相互影響,其中涉及對風(fēng)場流動與煙筒響應(yīng)的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究及理論分析。過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可模擬真實(shí)風(fēng)場中的流動,觀察高聳煙囪在不同風(fēng)速下的振動響應(yīng)。在工程應(yīng)用中需考慮煙筒的抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),采取合適的控制手段來減緩或防止渦激共振的發(fā)生。通過分析高聳煙囪渦激共振的耦合過程,為工程設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的風(fēng)荷載評估,確保煙筒在復(fù)雜風(fēng)場條件下的穩(wěn)定性及安全性[1]。

1 氣動力系數(shù)與振幅的關(guān)系

某地有一鋼筋混凝土煙囪,其截面形式為圓截面,煙筒高H=50 m,直徑為D=3 m,當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為w0= 0.5 kN/m2,自振周期T=0.5 s,m=1 t/m,煙筒EI=7.98×107kN·m2,阻尼比ξ=0.0418,振型為φ=2(z/H)2-4/3 (z/H)3+1/3(z/H)4。

在亞臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi),氣體流經(jīng)圓形截面時(shí)會在煙筒兩側(cè)形成有規(guī)律的渦旋交替脫落,這些分離的渦流對煙筒施加影響,導(dǎo)致規(guī)律振動,擾動周圍氣體流動,改變煙筒受力。根據(jù)圖1可知,當(dāng)煙筒的振動頻率與氣動渦旋脫落頻率一致時(shí),煙筒的振幅會逐漸增加,在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動。根據(jù)氣動耦合現(xiàn)象,煙筒振幅逐漸增加會令作用在煙筒上的氣動力發(fā)生相應(yīng)的變化,圖2為具體的變化,這種變化可能以氣動力增加或波動形式呈現(xiàn),與煙筒振幅變化一致[2]。

圖1 渦激共振發(fā)生的位移時(shí)程Fig.1 Displacement time history of vortex-induced resonance

圖2 氣動力系數(shù)時(shí)程Fig.2 Aerodynamic coefficient time history

煙筒在氣動耦合影響下振幅逐漸增大,煙筒所受的氣動升力和阻力也逐漸增大,表面氣動系數(shù)與由氣動耦合引起的煙筒渦流共振過程中的振幅變化成正比。換言之,振幅的增大導(dǎo)致煙筒在氣動耦合的作用下所受的氣動升力和阻力增加,這是因?yàn)闊熗驳恼駝右鹆酥車鷼饬鞯淖兓?從而影響了煙筒與氣流之間的相互作用,振幅的增加使得氣動耦合效應(yīng)更加顯著,導(dǎo)致煙筒所受的氣動力隨之增大。

2 風(fēng)壓分析

為了控制高層煙囪側(cè)墻風(fēng)致共振,常用的方法包括設(shè)置剛性肋、抗干擾肋、導(dǎo)向板等,以瓦解煙筒表面的旋渦脫落規(guī)律,從而減小作用在煙筒上的旋渦力,因此選擇合適的干擾器形式至關(guān)重要。在氣動耦合過程中,選擇有效的干擾器形式有助于減小渦流感應(yīng)力,而這與煙筒周圍的風(fēng)壓分布密切相關(guān)。通過對煙筒表面風(fēng)壓的分析,可以了解不同位置上風(fēng)壓的分布規(guī)律、大小及其對煙筒的影響,有助于確定干擾器形式及位置,減小煙筒所受的氣動力,通過分析風(fēng)壓分布可確定剛性肋、抗干擾肋或?qū)虬宓雀蓴_器的最佳位置,最大程度地瓦解旋渦脫落規(guī)律,減小旋渦力的作用。

圖3展示了y/d=0.004、y/d=0.016時(shí)的表面風(fēng)壓分布增加。模型周圍的曲線中,最外側(cè)、中間、最里側(cè)的虛擬圓分別代表平均風(fēng)壓系數(shù)為1、-1.5、-3。圖中的粗實(shí)線與實(shí)曲線分別表示圓形截面試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)壓分布。0T和2/4T分別對應(yīng)于零長寬比的風(fēng)壓,而1/4T和3/4T則對應(yīng)最大和最小長寬比的風(fēng)壓分布。如圖所示,振幅比變大則煙筒表面的負(fù)壓減小,風(fēng)壓對稱性不均勻出現(xiàn),這表明振幅比的變化導(dǎo)致煙筒受到的風(fēng)壓分布發(fā)生顯著變化,尤其是在不同角度上。脈動風(fēng)壓系數(shù)的分布曲線揭示了煙筒在周期內(nèi)不同位置上的氣動特性,而平均風(fēng)壓系數(shù)的虛擬圓則提供了對整體性能的綜合比較[3]。

圖3 不同振幅下平均風(fēng)壓矢量圖Fig.3 Vector diagram of average wind pressure at different amplitudes

圖4為煙筒在周期內(nèi)不同角度上的平均風(fēng)壓變化趨勢,有助于更好地理解不同振幅條件下的影響[4]。

圖4 不同振幅下平均風(fēng)壓Fig.4 Average wind pressure at different amplitudes

當(dāng)振幅比為0.004時(shí),煙筒所受的風(fēng)壓基本對稱,但在距停滯點(diǎn)57.6°～180°,1/2T的總風(fēng)壓大于0T,表明負(fù)壓減弱。這說明在這一范圍內(nèi)風(fēng)場對稱性的破壞導(dǎo)致負(fù)壓的減弱。當(dāng)1/4T煙筒的振幅直徑比最大時(shí),整個(gè)煙筒的風(fēng)壓隨角度變化而增加。而當(dāng)3/4T煙筒的振幅直徑比最小時(shí),風(fēng)壓在57.6°～295.2°逐漸減小,尖角處的風(fēng)壓差為2.6°。

當(dāng)振幅比為0.016,煙筒處于平衡位置時(shí),周圍風(fēng)壓的分布規(guī)律與振幅比為0.004時(shí)基本相似,但總體風(fēng)壓值下降。當(dāng)1/4T煙筒的振幅直徑比最大時(shí),在64.8°和295.2°銳角處,風(fēng)壓分別為-1.14、-0.94,銳角風(fēng)壓差為0.2,說明在這個(gè)振幅直徑比條件下,煙筒的風(fēng)壓隨角度變化而增加。相反地,當(dāng)3/4T煙筒的振幅直徑比最小時(shí),在57.6°銳角處,風(fēng)壓為-1.24,在295.2°銳角處風(fēng)壓為-0.34,銳角風(fēng)壓差為0.34。

3 結(jié)論

在煙筒振幅比隨風(fēng)速逐漸增大的過程中,煙筒的風(fēng)壓呈對稱分布,且受到的負(fù)壓逐漸增強(qiáng)。當(dāng)煙筒遠(yuǎn)離平衡位置時(shí),煙筒表面的風(fēng)壓不對稱性逐漸增大,這涉及煙筒振動與氣動效應(yīng)之間復(fù)雜的相互作用。隨著振幅的增大,煙筒所受的氣動升力和氣動阻力增強(qiáng),導(dǎo)致振動幅度進(jìn)一步擴(kuò)大。振幅直徑比的增大可能引發(fā)煙筒表面風(fēng)壓的對稱性變化,特別是在煙筒遠(yuǎn)離平衡位置的情況下,風(fēng)壓分布可能變得不對稱,對煙筒的影響也更為顯著。