单向水流作用下近壁管道横向涡激振动实验研究

　　0　引　言

　　目前,关于自由管道横向涡激振动的研究进行较多。Feng[1]研究了管道在空气中的振动情况,其管道幅值反应分为初始上升阶段和后期下降阶段两部分。Anand[2]研究了管道在水中的涡激振动,其幅值反应和频率反应呈现出一些新的特点。Khalak和Williamson[326]、Govardhan和William2son[7]研究了低质量比情况下管道在水中的涡激振动,发现管道振动幅值反应分为初始激励阶段、顶部平稳阶段和下降阶段等3部分。在许多情况下,管道振动会受到附近结构壁面的影响。Wilson和Caldwell[8]较早研究了近壁管道的涡激振动,但得出的规律性的结果还很少。Tsahalis[9]和Jacobsen[10]研究了管道与壁面间隙比(e/D,其中e为管道与壁面间隙的宽度,D为管道直径)较大情况下的管道涡激振动特性。Fred2soe[11]研究了不同间隙比情况下管道的振动特性,但实验流速较小,相当一部分曲线描述的涡激振动特性不够完整。可见,与自由管道涡激振动研究相比,近壁管道涡激振动的研究较少。

　　近壁管道在单向水流作用下的涡激振动是一个流固耦合问题。目前,实验研究仍然是解决流固耦合问题最有效的方面之一。已有研究表明[9,12],管道发生涡激振动时,垂直于流动方向的横向振动幅值比平行于流动方向的流向振动幅值大很多,因此横向振动危害更大。为此,利用自主研制的管道涡激振动实验装置,系统地研究了单向水流作用下管道与壁面间隙比对管道横向涡激振动幅值和频率的影响。

　　1　实验装置及方法

　　为研究单向水流作用下管道与壁面间隙比对管道振动特性的影响,专门研制了与单向流水槽结合的管道涡激振动实验装置(图1)。该实验装置的有关情况如下:实验管道由连接杆悬挂;连接杆与滑杆通过铰链连接;滑杆通过定位滑轮导向;竖直弹簧将整个运动部件悬挂于支撑架上,从而使管道能够在竖直方向自由运动;

　　调节支撑架的高度可以改变管道与壁面间隙宽度;单向流实验水槽长19·0m、宽0·5m、高0·6m,它能够提供0·04~0·60m/s的水流速度。

　　实验管道直径为0·032m,长0·470m,单位长度管道质量为3·1kg/m,实验水深为0·30m。实验中,管道与水槽底面的间隙(e)分别为2、9·6、21、28、35、150mm。管道振动位移用非接触式激光位移传感器进行测量,传感器的分辨精度为0·3mm;水流速度用旋浆式流速仪测量;管道尾迹涡脱落频率用热膜流速仪测量;管道在静水中的固有频率(fn)采用自由振动法进行测量。对管道自由振动衰减曲线(图2)进行频谱分析,可得到管道在静水中的固有频率(图3)。管道的结构阻尼因子(ζ)可用对数衰减法计算得到,其计算公式为