涡激振 — CAE术语解释
涡激振
什么是涡激振
涡激振是桥梁桥墩和烟囱在风中摇晃的现象吗?
正是这样。当物体处于流动中时,交替地释放卡门涡,这些涡的周期性力量引起物体的振动。这就是涡激振。特别是当涡释放的频率接近物体的固有振动频率时,会出现"锁定"现象,振动急剧增大。
锁定听起来很可怕。会造成什么损害呢?
1940年美国塔科马海峡大桥的坍塌是涡激振(和颤振)叠加作用的典型例子。在当今,石油工业中细长的立管(导管),烟囱、桥梁缆索和输电线路都会遭遇涡激振问题。振动疲劳导致的裂纹产生是典型的破坏形式。
CFD-FEM耦合分析与设计对策
涡激振可以通过仿真预测吗?
可以,但很困难。由于流体涡释放和结构变形之间存在相互作用,需要进行CFD和FEM的双向耦合。用非定常CFD(URANS或更高分辨率)计算涡释放力,将其传递给结构模型并反馈变形量。由于分析成本很高,在设计阶段通常采用简化模型和详细分析相结合的方法。
设计方面有哪些对策?
有几种办法。在物体表面附加螺旋形翅片(螺旋翅片)来破坏涡释放是烟囱和海洋导管的标准做法。或者通过调整固有振动频率,使其远离斯特劳哈尔频率以避免共振;或者安装减振装置(TMD)。基本流程是根据斯特劳哈尔数和雷诺数预测涡释放频率,然后进行设计。
斯特劳哈尔数可以用来计算频率吗?
正是的。根据 f = St * U / D 这个公式,利用斯特劳哈尔数St(对圆柱约为0.2)、流速U和直径D就可以推估涡释放频率。这是一个方便的公式,可用于设计初期的快速风险评估。
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