[發(fā)明專利]基于雷諾數(shù)相似的圓柱體渦激振動試驗方法

無效

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• 申請日: 2012-11-13
• 公開（公告）號: CN102944372A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃維平;周陽;鐘詩民;梁鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01M10/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)的水動力試驗方法，尤其涉及一種基于雷諾數(shù)相似的圓柱體渦激振動試驗方法。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)的水動力試驗是目前尚未很好解決的問題，主要是試驗用的液體不滿足相似關(guān)系，通常只能采用水作為試驗液體，即結(jié)構(gòu)是縮尺模型，而試驗液體為原型流體。因此，目前的水動力試驗只能做到弗汝德數(shù)相似，即重力相似，而不能做到雷諾數(shù)相似。這是多年困擾科學(xué)及工程界的一大難題，久而久之，人們已習(xí)慣于弗汝德數(shù)相似的水動力試驗，往往依據(jù)這樣的試驗結(jié)果來預(yù)測原型的水動力性能。這也是目前最好的解決方法，但是對于圓柱體的渦激振動，這卻是一個多年來的錯誤做法。因為，渦激振動是由圓柱體尾流處的渦旋泄放引起的振動，而渦漩泄放的模式完全取決于雷諾數(shù)的大小，因此，不同的雷諾數(shù)條件下，圓柱體的渦激振動響應(yīng)也有較大的區(qū)別。此外，圓柱體的渦激振動還與約化速度有關(guān)，不同的約化速度下，圓柱體的渦激振動響應(yīng)差別更大。因此，要通過模型試驗來預(yù)測原型結(jié)構(gòu)的渦激振動響應(yīng)特征，必須保證雷諾數(shù)和約化速度都相似。而目前的試驗方法，雷諾數(shù)和約化速度均不相似。導(dǎo)致試驗結(jié)果與原型之間不僅不相似，而且沒有可比性，即模型試驗現(xiàn)象和結(jié)果并不是原型在相應(yīng)條件(按弗汝德數(shù)相似得到的原型條件)下的渦激振動響應(yīng)。

渦激振動的主要參數(shù)是圓柱體的直徑、流速和圓柱體的剛度，因此，模型試驗的相似比取決于圓柱體的直徑，即幾何相似比，該直徑是根據(jù)試驗條件來確定的，試驗條件包括水池(槽)的大小及水深、能產(chǎn)生的流速范圍等。通常，水池(槽)的長度是自然滿足的，限制模型大小的是水池(槽)的寬度。應(yīng)保證圓柱體與水池(槽)的側(cè)壁有足夠的空間使流體流過時不產(chǎn)生邊界效應(yīng)，一般應(yīng)大于十倍的圓柱體直徑。

由于模型比原型的尺寸小，因此，如果要滿足相似關(guān)系，則應(yīng)根據(jù)相似原理選擇黏度相似的流體，設(shè)原型與模型的幾何相似比為S_l，則滿足雷諾數(shù)相似的流體黏度相似比應(yīng)為因此，如果原型流體是水，當(dāng)進(jìn)行1∶10的模型試驗時，試驗流體的運動黏度應(yīng)為31.62×10^-6m²/s，在這樣的條件下，試驗流速的相似比為即原型水的流速為2m時，試驗流體的流速應(yīng)為0.63m，而水的流速為0.5m時，試驗流體的流速應(yīng)為0.016m。遺憾的是，一般情況下，找不到合適的流體來滿足雷諾數(shù)相似，或即便在特定條件下有滿足雷諾數(shù)相似的流體，但由于成本(用量大)原因也無法采用。因此，目前國內(nèi)外的水動力試驗全部采用水作為試驗流體，即原型流體與模型流體的運動黏度相似比為1，而其它相似關(guān)系仍采用重力相似或弗汝德數(shù)相似，從而導(dǎo)致雷諾數(shù)(Re)不相似，即：

(雷諾數(shù)無量綱，因此，相似比應(yīng)等于1。)。對于波浪試驗，由于波浪是重力波，因此，保證重力相似是基本條件。此外，波浪荷載與雷諾數(shù)無關(guān)，因此，雷諾數(shù)不相似對于波浪試驗的相似性問題影響較小。但是渦激振動試驗與波浪試驗正好相反，渦旋泄放模式取決于雷諾數(shù)而與重力無關(guān)，因此，雷諾數(shù)不相似將導(dǎo)致模型與原型的渦泄模式不同，而圓柱體的渦激振動響應(yīng)取決于渦泄模式，不同的渦泄模式將激起不同的渦激振動響應(yīng)。因此，渦激振動試驗應(yīng)保證雷諾數(shù)相似。

與本發(fā)明最相近的解決方案就是以弗汝德數(shù)相似為基礎(chǔ)的試驗，模型與原型并不相似，不僅數(shù)值大小不相似，振動模式也不相似。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點：

1)模型與原型的渦泄模式不同，因此，振動響應(yīng)的性質(zhì)不同。

2)模型與原型不相似，包括荷載頻率和幅值大小、圓柱體響應(yīng)的頻率和大小均不相似。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雷諾數(shù)相似的圓柱體渦激振動試驗方法。目的在于提出正確的模型與原型渦激振動相似關(guān)系，由此建立基于雷諾數(shù)相似的圓柱體渦激振動試驗方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于雷諾數(shù)相似的圓柱體渦激振動試驗方法，包括以下步驟：

該方法是在保證雷諾數(shù)相似的條件下：進(jìn)行模型和試驗設(shè)計；

式中：S_Re為雷諾數(shù)相似比，S_u為速度相似比，S_l為幾何相似比，S_v為流體的運動黏度相似比，當(dāng)試驗流體與原型流體相同時，則S_v＝1；這時流速相似比為