等截面高耸烟囱涡激共振发生耦合过程研究

袁欣欣

(山东华宇工学院,山东 德州 253000)

涡激共振是指风场中的涡流与烟筒的振动频率发生共振,引起烟筒的大幅度振动。对于高耸烟囱而言,其可能是由于风场中的大气涡流与烟囱的横截面相互作用引起的。耦合过程研究旨在探讨涡激共振是如何发生的,包括风场中的涡流如何与烟筒振动相互影响,其中涉及对风场流动与烟筒响应的数值模拟、实验研究及理论分析。过风洞实验可模拟真实风场中的流动,观察高耸烟囱在不同风速下的振动响应。在工程应用中需考虑烟筒的抗风设计标准,采取合适的控制手段来减缓或防止涡激共振的发生。通过分析高耸烟囱涡激共振的耦合过程,为工程设计提供精准的风荷载评估,确保烟筒在复杂风场条件下的稳定性及安全性[1]。

1 气动力系数与振幅的关系

某地有一钢筋混凝土烟囱,其截面形式为圆截面,烟筒高H=50 m,直径为D=3 m,当地基本风压为w0= 0.5 kN/m2,自振周期T=0.5 s,m=1 t/m,烟筒EI=7.98×107kN·m2,阻尼比ξ=0.0418,振型为φ=2(z/H)2-4/3 (z/H)3+1/3(z/H)4。

在亚临界雷诺数范围内,气体流经圆形截面时会在烟筒两侧形成有规律的涡旋交替脱落,这些分离的涡流对烟筒施加影响,导致规律振动,扰动周围气体流动,改变烟筒受力。根据图1可知,当烟筒的振动频率与气动涡旋脱落频率一致时,烟筒的振幅会逐渐增加,在一定范围内出现波动。根据气动耦合现象,烟筒振幅逐渐增加会令作用在烟筒上的气动力发生相应的变化,图2为具体的变化,这种变化可能以气动力增加或波动形式呈现,与烟筒振幅变化一致[2]。

图1 涡激共振发生的位移时程Fig.1 Displacement time history of vortex-induced resonance

图2 气动力系数时程Fig.2 Aerodynamic coefficient time history

烟筒在气动耦合影响下振幅逐渐增大,烟筒所受的气动升力和阻力也逐渐增大,表面气动系数与由气动耦合引起的烟筒涡流共振过程中的振幅变化成正比。换言之,振幅的增大导致烟筒在气动耦合的作用下所受的气动升力和阻力增加,这是因为烟筒的振动引起了周围气流的变化,从而影响了烟筒与气流之间的相互作用,振幅的增加使得气动耦合效应更加显著,导致烟筒所受的气动力随之增大。

2 风压分析

为了控制高层烟囱侧墙风致共振,常用的方法包括设置刚性肋、抗干扰肋、导向板等,以瓦解烟筒表面的旋涡脱落规律,从而减小作用在烟筒上的旋涡力,因此选择合适的干扰器形式至关重要。在气动耦合过程中,选择有效的干扰器形式有助于减小涡流感应力,而这与烟筒周围的风压分布密切相关。通过对烟筒表面风压的分析,可以了解不同位置上风压的分布规律、大小及其对烟筒的影响,有助于确定干扰器形式及位置,减小烟筒所受的气动力,通过分析风压分布可确定刚性肋、抗干扰肋或导向板等干扰器的最佳位置,最大程度地瓦解旋涡脱落规律,减小旋涡力的作用。

图3展示了y/d=0.004、y/d=0.016时的表面风压分布增加。模型周围的曲线中,最外侧、中间、最里侧的虚拟圆分别代表平均风压系数为1、-1.5、-3。图中的粗实线与实曲线分别表示圆形截面试验模型和风压分布。0T和2/4T分别对应于零长宽比的风压,而1/4T和3/4T则对应最大和最小长宽比的风压分布。如图所示,振幅比变大则烟筒表面的负压减小,风压对称性不均匀出现,这表明振幅比的变化导致烟筒受到的风压分布发生显著变化,尤其是在不同角度上。脉动风压系数的分布曲线揭示了烟筒在周期内不同位置上的气动特性,而平均风压系数的虚拟圆则提供了对整体性能的综合比较[3]。

图3 不同振幅下平均风压矢量图Fig.3 Vector diagram of average wind pressure at different amplitudes

图4为烟筒在周期内不同角度上的平均风压变化趋势,有助于更好地理解不同振幅条件下的影响[4]。

图4 不同振幅下平均风压Fig.4 Average wind pressure at different amplitudes

当振幅比为0.004时,烟筒所受的风压基本对称,但在距停滞点57.6°～180°,1/2T的总风压大于0T,表明负压减弱。这说明在这一范围内风场对称性的破坏导致负压的减弱。当1/4T烟筒的振幅直径比最大时,整个烟筒的风压随角度变化而增加。而当3/4T烟筒的振幅直径比最小时,风压在57.6°～295.2°逐渐减小,尖角处的风压差为2.6°。

当振幅比为0.016,烟筒处于平衡位置时,周围风压的分布规律与振幅比为0.004时基本相似,但总体风压值下降。当1/4T烟筒的振幅直径比最大时,在64.8°和295.2°锐角处,风压分别为-1.14、-0.94,锐角风压差为0.2,说明在这个振幅直径比条件下,烟筒的风压随角度变化而增加。相反地,当3/4T烟筒的振幅直径比最小时,在57.6°锐角处,风压为-1.24,在295.2°锐角处风压为-0.34,锐角风压差为0.34。

3 结论

在烟筒振幅比随风速逐渐增大的过程中,烟筒的风压呈对称分布,且受到的负压逐渐增强。当烟筒远离平衡位置时,烟筒表面的风压不对称性逐渐增大,这涉及烟筒振动与气动效应之间复杂的相互作用。随着振幅的增大,烟筒所受的气动升力和气动阻力增强,导致振动幅度进一步扩大。振幅直径比的增大可能引发烟筒表面风压的对称性变化,特别是在烟筒远离平衡位置的情况下,风压分布可能变得不对称,对烟筒的影响也更为显著。