誘導振動

誘導振動是指流體垂直於圓柱體軸線流過時，由於各種原因引起圓柱體在與流體流動萬向垂直的橫向振動。

基本介紹

• 中文名：誘導振動
• 外文名：The induced vibration
• 全拼：you dao zhen dong
• 學科：工程技術基礎

定義

誘導振動是指流體垂直於圓柱體軸線流過時，由於各種原因引起圓柱體在與流體流動萬向垂直的橫向振動。

誘導振動誘發機理研究

多柱體繞流廣泛存在於自然界和工程套用之中，迫切需要加以研究認識。與渦致振動僅在有限風速範圍內(共振點附近)出現大幅振動不同，誘導振動在鎖頻區域外的高折減速度下仍然會出現結構大幅振動現象。在低質量阻尼比狀態下, 這種振動形式的折減速度上界似乎並不存在, 導致耦合系統出現‘無限WIV’現象。部分學者認為該現象的許多特徵與非流線型結構的橫風馳振現象類似，因而將其定義為尾流馳振（wake-induced galloping）。

研究結果表明，亞臨界Re下結構在一定風速下仍然會出現大幅振動，並伴隨著旋渦脫落現象。這主要是由系統的一個最不穩定模態分支，在流固耦合效應作用下發生失穩所致。該不穩定模態在低折減速度下表征為結構模態，而在高折減速度下卻轉變為流動模態。這種‘模態轉換’現象最終導致結構振動頻率在失穩區域內出現了頻率轉換，即隨著折減速度U*增大，振動頻率由跟隨結構固有頻率逐漸轉換至跟隨流動特徵頻率上（斯特勞哈爾頻率）。此外，線性動力學分析還表明，當質量比小於某一臨界質量比時，該不穩定模態的失穩上界趨近於U*→∞，導致結構在遠離共振區的高折減速度下仍然會出現大幅振動，即‘無窮WIV’現象。線性動力學模型分析的失穩邊界與CFD/CSD仿真結果完全一致，且結構振動頻率與失穩模態的特徵頻率吻合，證明了線性模型分析結果的正確性，說明誘導振動本質上是由耦合系統線性動力學失穩所致。為超臨界雷諾數下的尾流誘導振動研究奠定了基礎，並對更好地理解高雷諾數下的尾流馳振現象具有啟示意義。

誘導振動破壞分析

誘導振動嚴重時將導致設備的失效和破壞。例如塔設備受到風載荷作用以及管殼式換熱器殼程中流體橫向流動時，在流體受阻的背向側產生周期性的旋渦（“卡曼渦街”），當旋渦發生的頻率等於圓柱體某一振型的自振頻率時就會產生誘導振動。隨著設備的大型化及儘量增大殼程流速，誘發管殼式換熱器振動的可能性也增大，其原因除了“卡曼渦街”外，還有紊流抖振、聲振動、流體自激振動和射流轉換等。

誘導振動危害及後果

在一般情況下，縱向流誘振引起的振幅小，危害性不大，往往可以忽略。只有當流速遠遠高於正常流速時，才需要考慮縱向流誘振的影響。但橫向流誘振則不同，即使在正常的流速下，也會引起很大的振幅，使換熱器產生振動而破壞。

造成的後果有：（1)管子因與相鄰部件撞擊而磨損、開裂或切斷；（2)管子疲勞破壞；（3)管子與管板連線處產生泄漏；（4)殼程空間發出強烈的噪聲：（5)殼程壓力降大大增加。

防振措施

在圓柱體的圓周上及軸向設定金厲條，是抑制或削弱周期性旋渦的有效措施。換熱器的防振措施還有改變殼程流速，設定防沖檔板，通過改變管子跨距、材料以及在管子間隙處增加插入物來改變管子頻率。