等截面高聳煙囪渦激共振發生耦合過程研究

袁欣欣

(山東華宇工學院,山東 德州 253000)

渦激共振是指風場中的渦流與煙筒的振動頻率發生共振,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生的,包括風場中的渦流如何與煙筒振動相互影響,其中涉及對風場流動與煙筒響應的數值模擬、實驗研究及理論分析。過風洞實驗可模擬真實風場中的流動,觀察高聳煙囪在不同風速下的振動響應。在工程應用中需考慮煙筒的抗風設計標準,采取合適的控制手段來減緩或防止渦激共振的發生。通過分析高聳煙囪渦激共振的耦合過程,為工程設計提供精準的風荷載評估,確保煙筒在復雜風場條件下的穩定性及安全性[1]。

1 氣動力系數與振幅的關系

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,當地基本風壓為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。

在亞臨界雷諾數范圍內,氣體流經圓形截面時會在煙筒兩側形成有規律的渦旋交替脫落,這些分離的渦流對煙筒施加影響,導致規律振動,擾動周圍氣體流動,改變煙筒受力。根據圖1可知,當煙筒的振動頻率與氣動渦旋脫落頻率一致時,煙筒的振幅會逐漸增加,在一定范圍內出現波動。根據氣動耦合現象,煙筒振幅逐漸增加會令作用在煙筒上的氣動力發生相應的變化,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,與煙筒振幅變化一致[2]。

圖1 渦激共振發生的位移時程Fig.1 Displacement time history of vortex-induced resonance

圖2 氣動力系數時程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,這是因為煙筒的振動引起了周圍氣流的變化,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更加顯著,導致煙筒所受的氣動力隨之增大。

2 風壓分析

為了控制高層煙囪側墻風致共振,常用的方法包括設置剛性肋、抗干擾肋、導向板等,以瓦解煙筒表面的旋渦脫落規律,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力,而這與煙筒周圍的風壓分布密切相關。通過對煙筒表面風壓的分析,可以了解不同位置上風壓的分布規律、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,通過分析風壓分布可確定剛性肋、抗干擾肋或導向板等干擾器的最佳位置,最大程度地瓦解旋渦脫落規律,減小旋渦力的作用。

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

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

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

圖4 不同振幅下平均風壓Fig.4 Average wind pressure at different amplitudes

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

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

3 結論

在煙筒振幅比隨風速逐漸增大的過程中,煙筒的風壓呈對稱分布,且受到的負壓逐漸增強。當煙筒遠離平衡位置時,煙筒表面的風壓不對稱性逐漸增大,這涉及煙筒振動與氣動效應之間復雜的相互作用。隨著振幅的增大,煙筒所受的氣動升力和氣動阻力增強,導致振動幅度進一步擴大。振幅直徑比的增大可能引發煙筒表面風壓的對稱性變化,特別是在煙筒遠離平衡位置的情況下,風壓分布可能變得不對稱,對煙筒的影響也更為顯著。