1.2　渦致振動(dòng)現(xiàn)象簡介

根據(jù)氣動(dòng)彈性力學(xué)，流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)可以分為顫振、馳振、渦致振動(dòng)以及抖振四類。渦致振動(dòng)是指當(dāng)流體流過非流線型結(jié)構(gòu)時(shí)，在某些來流條件下，結(jié)構(gòu)尾流中會出現(xiàn)周期性的渦街而使結(jié)構(gòu)表面的流體力發(fā)生周期性變化，當(dāng)流體力變化頻率即渦脫頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近或相同時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)明顯加劇，且出現(xiàn)渦脫頻率被鎖定在結(jié)構(gòu)固有頻率附近的“鎖定現(xiàn)象”。由此可見，渦致振動(dòng)其實(shí)是一種流固耦合共振現(xiàn)象，它的出現(xiàn)與來流情況、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等密切相關(guān)，而且因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)阻尼以及流動(dòng)阻尼的存在，渦致振動(dòng)往往表現(xiàn)為一種限幅振動(dòng)。對于其他三種流體誘發(fā)振動(dòng)本文不作詳細(xì)介紹，具體可以參看文獻(xiàn)［1］。

1879年，斯特勞哈爾（Strouhal）在研究弦線在風(fēng)中振動(dòng)發(fā)聲時(shí)發(fā)現(xiàn)其發(fā)聲頻率和風(fēng)速與弦線粗細(xì)之商成正比，為一常數(shù)，稱為斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal Number）。此時(shí)弦線的振動(dòng)頻率為表面上的氣動(dòng)力的變化頻率，亦即渦脫頻率。因此，斯特勞哈爾數(shù)St與渦脫頻率之間的關(guān)系為

式中：fv為渦脫頻率；D為特征尺度；U為特征風(fēng)速。

此后的一年里，瑞利勛爵（Lord Rayleigh）發(fā)現(xiàn)弦的振動(dòng)垂直于風(fēng)向而非與風(fēng)向相同，他還發(fā)現(xiàn)當(dāng)弦線固有音調(diào)和風(fēng)鳴音調(diào)相一致時(shí)發(fā)出的聲音顯著增強(qiáng)。1908年，法國伯納德（Benard）把圓柱體后尾流的周期性和旋渦的形成聯(lián)系起來進(jìn)行研究考察。1911年馮·卡門（von Karman）系統(tǒng)研究了渦街的形成及穩(wěn)定性問題并確定了渦系動(dòng)量與尾流阻力之間的關(guān)系，卡門渦街的發(fā)現(xiàn)為鈍體繞流研究建立了一個(gè)新的里程碑［2］。

1968年Feng［3］的實(shí)驗(yàn)對后來的渦致振動(dòng)現(xiàn)象的研究具有重要指導(dǎo)意義。

圖1-1　折減渦脫頻率和圓柱振幅隨風(fēng)速的變化曲線［3］

折減渦脫頻率和圓柱振幅隨風(fēng)速的變化曲線，見圖1-1，F(xiàn)eng所用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閱巫杂啥葓A柱質(zhì)量—彈簧—阻尼模型，入流風(fēng)速與自由度方向相垂直。橫坐標(biāo)為折減風(fēng)速U/（fnD），縱坐標(biāo)上半部為折減渦脫頻率fv/fn，下半部為折減振幅A/D，其中，U為入流風(fēng)速；fn為振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率；fv為渦脫頻率；D為圓柱直徑，ζ為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼比。

當(dāng)折減風(fēng)速0＜Ur≤4時(shí)，圓柱基本保持靜止?fàn)顟B(tài)，振幅與渦脫頻率皆約為0，表明流場無周期性變化；當(dāng)4＜Ur≤5時(shí)，振幅開始逐漸增大，但仍然非常小，渦脫頻率依斯特勞哈爾定律線性增加；當(dāng)5＜Ur≤7時(shí)，圓柱振動(dòng)明顯加劇，振幅先增大后減小，在Ur=5.8左右達(dá)到最大值，折減渦脫頻率基本保持在1左右。在此速度區(qū)間，圓柱振動(dòng)最為劇烈，渦脫頻率并不隨斯特勞哈爾定律線性增加，而是基本保持與系統(tǒng)固有頻率相同，渦脫頻率似乎被“鎖定”住，這就是渦致振動(dòng)中所謂的“鎖定現(xiàn)象”。當(dāng)7＜Ur≤9，振幅較小，渦脫頻率重新隨斯特勞哈爾定律變化。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼比ζ減小，圓柱振幅增加，鎖定折減風(fēng)速區(qū)變寬。當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.00145時(shí)，振幅曲線在鎖定區(qū)出現(xiàn)分支，這與流速增加和減小時(shí)尾流中的渦模式不同有關(guān)，渦模式將在下文中作介紹。

從Feng的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出結(jié)論：在一定的來流條件下，鈍體繞流的流體動(dòng)力性能能夠被結(jié)構(gòu)振動(dòng)所控制，尾流中的渦脫頻率被鎖定在結(jié)構(gòu)固有頻率上，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)因流體與固體間的耦合而加劇，產(chǎn)生渦致振動(dòng)。