Вибрация, вызванная вихрем
Движения, вызываемые вихрями в потоке жидкости.
Численное моделирование вихревых вибраций, возникающих при обтекании кругового цилиндра. [1]

В гидродинамике вихревые колебания ( ВВ ) представляют собой движения, возникающие в телах, взаимодействующих с внешним потоком жидкости , которые возникают под действием периодических неровностей в этом потоке или которые возникают в результате этого движения .

Классическим примером является VIV подводного цилиндра. Как это происходит, можно увидеть, поместив цилиндр в воду (бассейн или даже ведро) и перемещая его по воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку реальные жидкости всегда обладают некоторой вязкостью , поток вокруг цилиндра будет замедляться при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой . Однако в какой-то момент этот слой может отделиться от тела из-за его чрезмерной кривизны. Затем образуется вихрь , изменяющий распределение давления вдоль поверхности. Когда вихрь не образуется симметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), на каждой стороне тела развиваются различные подъемные силы , что приводит к движению, поперечному потоку. Это движение изменяет природу образования вихря таким образом, что приводит к ограниченной амплитуде движения (иначе, чем можно было бы ожидать в типичном случае резонанса ). Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока существенно не изменится.

VIV проявляется во многих различных отраслях техники, от кабелей до решеток труб теплообменников . Это также является важным фактором при проектировании океанических сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью многих дисциплин, включая механику жидкости , структурную механику , вибрации , вычислительную гидродинамику (CFD), акустику , статистику и интеллектуальные материалы .

Мотивация

Они встречаются во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, дымовые трубы, линии электропередач, поверхности управления самолетами, морские сооружения, термокарманы, двигатели, теплообменники, морские кабели, буксируемые кабели, буровые и эксплуатационные стояки в нефтедобыче, швартовные кабели, швартовные конструкции, привязные конструкции, плавучесть и корпуса лонжеронов, трубопроводы, прокладка кабелей, элементы конструкций с кожухами и другие гидродинамические и гидроакустические приложения. [2] Самый последний интерес к длинным цилиндрическим элементам [3] в воде возникает в связи с разработкой углеводородных ресурсов на глубине 1000 м и более. См. также [4] и. [5]

Вибрация, вызванная вихрем (VIV), является важным источником усталостного повреждения стояков для разведочного бурения, экспорта и добычи нефти на шельфе, включая стальные стояки цепной связи (SCR) и натяжные опоры платформы (TLP) или тросы. Эти тонкие конструкции испытывают как поток тока, так и движение верхней части судна, которые оба вызывают относительные движения потока и структуры и вызывают VIV.

Одна из классических задач открытого потока в механике жидкости касается потока вокруг круглого цилиндра или, в более общем смысле, плохо обтекаемого тела . При очень низких числах Рейнольдса (основанных на диаметре круглого элемента) линии тока результирующего потока совершенно симметричны, как и ожидалось из потенциальной теории. Однако по мере увеличения числа Рейнольдса поток становится асимметричным и возникает так называемая вихревая дорожка Кармана . Движение цилиндра, возникающее таким образом из-за вихреобразования, может быть использовано для выработки электроэнергии. [6]

Число Струхаля связывает частоту вихреобразования со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Оно определяется как и названо в честь Ченека (Винсента) Струхаля (чешского ученого). [7] В уравнении f st — частота вихреобразования (или частота Струхаля) покоящегося тела, D — диаметр кругового цилиндра, а U — скорость окружающего потока. Св. = ф с т Д / У {\displaystyle {\textrm {St}}=f_{st}D/U}

Диапазон блокировки

Число Струхаля для цилиндра составляет 0,2 в широком диапазоне скоростей потока. Явление запирания происходит, когда частота вихреобразования становится близкой к естественной основной частоте вибрации конструкции. Когда это происходит, могут возникнуть большие и разрушительные вибрации.

Текущее состояние дел

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс, как численно, так и экспериментально, в понимании кинематики ( динамики ) VIV, хотя и в режиме с низким числом Рейнольдса. Основная причина этого заключается в том, что VIV не является малым возмущением, наложенным на среднее устойчивое движение. Это по своей сути нелинейное, самоуправляемое или саморегулируемое явление с множеством степеней свободы. Оно представляет собой нестационарные характеристики потока, проявляющиеся в существовании двух нестационарных слоев сдвига и крупномасштабных структур.

Многое известно и понято, и многое остается в эмпирической/описательной области знаний: какова доминирующая частота отклика , диапазон нормализованной скорости , изменение фазового угла (на который сила опережает смещение ) и амплитуда отклика в диапазоне синхронизации как функция управляющих и влияющих параметров? Промышленные приложения подчеркивают нашу неспособность предсказать динамический отклик взаимодействий жидкости и конструкции. Они по-прежнему требуют ввода синфазных и противофазных компонентов коэффициентов подъемной силы (или поперечной силы), коэффициентов сопротивления по линии, длин корреляции, коэффициентов затухания, относительной шероховатости, сдвига, волн и течений, среди других управляющих и влияющих параметров, и, таким образом, также требуют ввода относительно больших коэффициентов безопасности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (когда эти результаты будут распространены в открытой литературе) предоставят необходимое понимание для количественной оценки взаимосвязей между откликом конструкции и управляющими и влияющими параметрами.

Невозможно переоценить тот факт, что современное состояние лабораторных исследований касается взаимодействия твердого тела (главным образом и наиболее важного для круглого цилиндра), степени свободы которого были сокращены с шести до зачастую одной (т.е. поперечное движение), с трехмерным отрывным потоком, в котором доминируют крупномасштабные вихревые структуры.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Cfm.: Placzek, A.; Sigrist, J.-F.; Hamdouni, A. (2009). "Численное моделирование колеблющегося цилиндра в поперечном потоке при низком числе Рейнольдса: вынужденные и свободные колебания" (PDF) . Computers & Fluids . 38 (1): 80–100. doi :10.1016/j.compfluid.2008.01.007. S2CID  121271671.
  2. ^ Кинг, Роджер (BHRA Fluid Engineering), Возбуждаемые вихрем структурные колебания кругового цилиндра в установившихся течениях, OTC 1948, стр. 143-154, Конференция по океаническим технологиям, 6–8 мая 1974 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS
  3. ^ Вандивер, Дж. Ким, Коэффициенты сопротивления длинных гибких цилиндров, OTC 4490, Конференция по океаническим технологиям, 2–5 мая 1983 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
  4. ^ Верли, РЛП (BHRA), Эвери, МДж (BHRA), Волновая вибрация гибких цилиндров, OTC 2899, Конференция по океаническим технологиям, 2–5 мая 1977 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
  5. ^ Джонс, Г., Лэмб, В. С., Вибрация морских стояков, вызванная вихрями в сдвиговых и критических потоках, Достижения в области подводных технологий, науки об океане и оффшорной инженерии, т. 29, стр. 209-238, Springer Science + Business Media, Дордрехт, 1993.
  6. ^ Соти АК, Томпсон М., Шеридан Дж., Бхардвадж Р., Использование электроэнергии из вихре-индуцированной вибрации кругового цилиндра, Журнал жидкостей и конструкций, т. 70, стр. 360–373, 2017, DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2017.02.009
  7. ^ Струхаль, В. (1878) «Ueber eine besondere Art der Tonerregung» (О необычном виде звукового возбуждения), Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 5 (10): 216–251.

Дальнейшее чтение

  • Bearman, PW (1984). «Вихревое рассеивание колеблющихся плохо обтекаемых тел». Annual Review of Fluid Mechanics . 16 : 195–222. Bibcode : 1984AnRFM..16..195B. doi : 10.1146/annurev.fl.16.010184.001211.
  • Williamson, CHK; Govardhan, R. (2004). "Вихревые вибрации". Annual Review of Fluid Mechanics . 36 : 413–455. Bibcode :2004AnRFM..36..413W. doi :10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128. S2CID  58937745.
  • Сарпкая, Т. (1979). «Вихревые колебания: выборочный обзор». Журнал прикладной механики . 46 (2): 241–258. Bibcode : 1979JAM....46..241S. doi : 10.1115/1.3424537.
  • Sarpkaya, T. (2004). «Критический обзор внутренней природы вибраций, вызванных вихрями». Журнал жидкостей и структур . 19 (4): 389–447. Bibcode :2004JFS....19..389S. doi :10.1016/j.jfluidstructs.2004.02.005. hdl : 10945/15340 .
  • Сарпкая, Т.; Айзексон, М. (1981). Механика волновых сил на морских сооружениях . Ван Ностранд Рейнхольд . ISBN 978-0-442-25402-5.
  • Шумер, Б. Мутлу; Фредсё, Йорген (2006). Гидродинамика вокруг цилиндрических структур . Расширенная серия по океанической инженерии. Том 26 (пересмотренное издание). World Scientific. ISBN 978-981-270-039-1.
  • Naudascher, Edward; Rockwell, Donald (2005) [1994]. Вибрации, вызванные потоком: Инженерное руководство . Международная ассоциация гидравлических исследований (IAHR). Том 7 (Исправленное переиздание первого издания). Минеола, Нью-Йорк, США (издательство AA Balkema, Роттердам, Нидерланды): Dover Publications . ISBN 978-0-486-44282-2.(Примечание. Переиздание содержит дополнительный список опечаток в приложении.)
  • Хонг, К.-С.; Шах, У.Х. (2018). «Вихревые вибрации и управление морскими стояками: обзор». Ocean Engineering . 152 : 300–315. Bibcode : 2018OcEng.152..300H. doi : 10.1016/j.oceaneng.2018.01.086.
  • Хранилище данных о вибрации, вызванной вихрем
  • Курс «Принципы проектирования морских транспортных средств», Массачусетский технологический институт
  • eFunda: Введение в вихревые расходомеры
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Вихревая_вибрация&oldid=1247926052"