陳 聰，王漢封,2，鄧國(guó)浩，姚小敏

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075)

在一些工程實(shí)踐中，圓柱體或其他類似結(jié)構(gòu)物被安裝在平面邊界附近，如海陸油氣管道等。在以往眾多的試驗(yàn)中，常將此類結(jié)構(gòu)物簡(jiǎn)化為彈性支承的圓柱來(lái)模擬實(shí)際情況，但常見(jiàn)于孤立圓柱的研究[1-6]。而對(duì)于靠近壁面的圓柱來(lái)說(shuō)，由于壁面的存在，圓柱的尾流渦脫以及響應(yīng)特征將更為復(fù)雜[7-15]。

過(guò)去幾十年里，對(duì)圓柱渦激振動(dòng)的試驗(yàn)研究非常之多，主要從質(zhì)量阻尼比(m*ζ)、自由度(DOF)和雷諾數(shù)(Re)等方面進(jìn)行。其中，質(zhì)量阻尼比是關(guān)注最多的一個(gè)參數(shù)，對(duì)圓柱的響應(yīng)特性和尾流結(jié)構(gòu)均有著極大的影響。就高質(zhì)量阻尼比模型來(lái)說(shuō)，隨著雷諾數(shù)的增加，圓柱的位移表現(xiàn)出截然不同的兩種響應(yīng)狀態(tài)，即初始分支和下分支；這兩個(gè)分支間的轉(zhuǎn)變并不是迅速發(fā)生的，而是存在一個(gè)遲滯過(guò)渡的過(guò)程。而對(duì)于低質(zhì)量阻尼比模型的渦振試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，它有著與高質(zhì)量阻尼比完全不一樣的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)模型質(zhì)量阻尼比較低時(shí)，其最大響應(yīng)振幅顯著提升，且鎖定區(qū)間的范圍更寬；同時(shí)，響應(yīng)曲線還出現(xiàn)振幅遠(yuǎn)高于初支與下支的一種新的分支，稱之為上分支；其中，初支對(duì)應(yīng)著2S的渦脫模式，而上支和下支對(duì)應(yīng)著2P的渦脫模式。

相對(duì)于孤立圓柱來(lái)說(shuō)，近壁面圓柱的渦振現(xiàn)象更加復(fù)雜。由水洞試驗(yàn)的研究結(jié)果可知，對(duì)于間隙比S/D≤0.3(其中S為圓柱下表面至壁面的間距，D為圓柱直徑)，圓柱靜止時(shí)的旋渦脫落受到壁面抑制，而當(dāng)圓柱振動(dòng)時(shí)，壁面反而促進(jìn)尾流渦脫，致使其頻率比大于1；此外，隨著速度的變化，圓柱的最大振幅遠(yuǎn)高于間隙距離，甚至在極小間隙比(S/D=0.002)的情況下，圓柱仍可以產(chǎn)生大幅振動(dòng)，但具體幅值的大小受到壁面反彈系數(shù)的影響。當(dāng)0.3

本文采用了一套新型渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，在風(fēng)洞中開(kāi)展了低質(zhì)量比近壁面圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)改變來(lái)流風(fēng)速和間隙距離，對(duì)圓柱渦激振動(dòng)特性和平板表面風(fēng)壓等試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，對(duì)于近壁面圓柱渦振的試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及渦振機(jī)理的研究具有參考和推動(dòng)意義。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 模型安裝與試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)在直流式小風(fēng)洞中開(kāi)展。其試驗(yàn)段截面尺寸為0.45 m×0.45 m×1.20 m，壁面邊界層為20 mm左右，湍流度在0.5%以下，風(fēng)速范圍在0～40 m/s連續(xù)可調(diào)。如圖1所示，圓柱模型兩端鉸接在尼龍張力線中央，整體模型保持水平，僅限制為橫向振動(dòng)。尼龍線長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，可消除圓柱振動(dòng)所帶來(lái)的位移影響，其預(yù)張力可通過(guò)拉力器靈活調(diào)節(jié)，以獲得合適的系統(tǒng)固有頻率。圓柱兩端碳纖維桿與尼龍線銜接處設(shè)置有小塊木制擋板，用于反射下方激光位移器(IL-300)發(fā)出的激光，從而通過(guò)采集裝置可獲得圓柱的振動(dòng)位移。圓柱下方設(shè)置有控制間隙距離的移動(dòng)平板，其前緣設(shè)置為光滑圓弧形，以避免流動(dòng)分離。

圖1 模型安裝示意圖Fig.1 Schematic of experimental installation

模型質(zhì)量比是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，為降低圓柱質(zhì)量比，模型主體結(jié)構(gòu)采用密度極低的巴爾杉木制成。整體構(gòu)造類似于柱節(jié)段，由五塊3 mm厚的圓木盤與碳纖維桿串聯(lián)而成，其外框架采用亞光PVC薄膜蒙制?？偟膩?lái)說(shuō)，此結(jié)構(gòu)擁有著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，滿足本次的試驗(yàn)要求?？紤]到模型制作難度和尾流場(chǎng)范圍，圓柱直徑設(shè)計(jì)為35 mm；同時(shí)為了避免三維流動(dòng)效應(yīng)以及額外增加端板而帶來(lái)附加質(zhì)量，圓柱展長(zhǎng)L設(shè)計(jì)為445 mm，略小于風(fēng)洞寬度450 mm。

試驗(yàn)原理簡(jiǎn)化如圖2所示，初始時(shí)，圓柱處于平衡位置，并將此時(shí)圓柱中心點(diǎn)定義為坐標(biāo)零點(diǎn)，各坐標(biāo)軸方向于圖2中示出。隨著來(lái)流U∞的施加，圓柱脫離平衡位置上下振動(dòng)。此外，圓柱下方間距為S的平板表面于來(lái)流方向水平布置有12個(gè)測(cè)壓孔，可以同步監(jiān)測(cè)不同間隙比下振動(dòng)圓柱下方平板表面的氣壓變化。試驗(yàn)定義柱體正下方測(cè)壓孔為d點(diǎn)。離d點(diǎn)最近的4個(gè)測(cè)壓孔間距為2 mm，其余測(cè)壓孔間距為4 mm。測(cè)壓孔離d點(diǎn)的距離定義為變量a，在試驗(yàn)處理中用圓柱直徑D進(jìn)行無(wú)量綱化。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Diagram of experimental principle

1.2 試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

在試驗(yàn)開(kāi)始之前，通過(guò)眼鏡蛇探針(TFI-269)對(duì)空風(fēng)洞下的平板表面邊界層進(jìn)行了標(biāo)定。如圖3所示，可知邊界層厚度δ≈0.43D。試驗(yàn)其余關(guān)鍵參數(shù)由表1給出，其中系統(tǒng)固有頻率和阻尼可以通過(guò)位移自由衰減曲線得出，m為圓柱和尼龍繩及木制擋板質(zhì)量之和，ρ為空氣密度，P0為風(fēng)洞靜壓，P為測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓，Prms為脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值。本次試驗(yàn)風(fēng)速的施加規(guī)律為增速，間隔小于0.1 m/s，且每次對(duì)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，均需等待足夠長(zhǎng)時(shí)間(60 s以上)，以獲得圓柱達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖3 平板邊界層標(biāo)定Fig.3 Boundary layer calibration

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 圓柱幅值

孤立圓柱(即無(wú)平板)幅值與頻率的文獻(xiàn)對(duì)比結(jié)果，如圖4所示?？芍?，響應(yīng)幅值的變化規(guī)律在定性上與Khalak等的研究結(jié)果是類似的，而與Feng的試驗(yàn)規(guī)律不同的主要原因是他的模型m*屬于大質(zhì)量比范疇。從頻率圖中可以看出，隨著速度的增加，圓柱尾流渦脫符合St規(guī)律；當(dāng)速度增加到一定范圍內(nèi)，fv/fn始終維持在1附近，這種現(xiàn)象被稱之為鎖頻，其速度區(qū)間被定義為鎖定區(qū)間；此后速度進(jìn)一步增加，圓柱尾流渦脫又重新回到St規(guī)律。

圖4 文獻(xiàn)對(duì)比Fig.4 Literature contrast

不同間隙比下圓柱的幅值響應(yīng)如圖5所示，并基于圓柱的最大位移響應(yīng)是否與平板產(chǎn)生接觸，將其劃分為限制區(qū)(0≤S/D≤0.5)和非限制區(qū)(S/D>0.5)兩個(gè)部分。在限制區(qū)內(nèi)，對(duì)于S/D=0，所有風(fēng)速范圍內(nèi)均未發(fā)生振動(dòng)，其最大振幅始終為0，這與Wang等和Zhao等在水洞中所獲得的試驗(yàn)結(jié)果并不相同；在極小間隙比S/D=0.1的情況下，其幅值曲線異于其余間隙比，它碰壁振動(dòng)時(shí)的最小約化速度比其余間隙比要小，且能碰壁振動(dòng)的最大約化速度遠(yuǎn)小于相鄰間隙比S/D=0.2的情形；對(duì)于間隙比0.2≤S/D≤0.5，碰壁振動(dòng)時(shí)的最小約化速度幾乎一樣，但最大約化速度隨間隙比的變化呈減小趨勢(shì)；對(duì)于限制區(qū)內(nèi)的所有間隙比，S/D=0除外，都存在一個(gè)共同的特征，即：在碰壁振動(dòng)期間，盡管圓柱的振動(dòng)受限于間距，但接觸壁面后柱體反彈向上所達(dá)到的振幅略高于固有的間距；此外，圓柱從微振至碰壁與從碰壁至微振這兩個(gè)階段中的過(guò)渡是非常迅速的，特別是后一個(gè)階段，這種過(guò)渡幾乎是瞬發(fā)的。

圖5 響應(yīng)振幅Fig.5 Amplitude of cylinder

在非限制區(qū)內(nèi)，圓柱均不存在碰壁行為，且從S/D=0.8開(kāi)始幅值曲線明顯可見(jiàn)三個(gè)不同的分支，即初始分支、上分支和下分支，這有別于限制區(qū)內(nèi)幅值曲線的變化規(guī)律。隨著間隙比的增加，初始分支的變化并不明顯，而上分支的幅值逐漸抬升，整體區(qū)間往后移動(dòng)，下分支的區(qū)間逐漸擴(kuò)寬，凸顯更加清晰，整體區(qū)間同樣向后延伸；間隙比越大，三個(gè)響應(yīng)分支的變化越小，當(dāng)間隙比達(dá)到2.5時(shí)，可認(rèn)為圓柱振幅的三個(gè)分支與孤立圓柱的情形無(wú)異，平板對(duì)圓柱響應(yīng)的影響可近似忽略。

為了更加形象的展現(xiàn)圓柱鎖定區(qū)間與間隙比之間的關(guān)系，如圖6所示，以不同的填充符號(hào)詳細(xì)區(qū)分了圓柱的各個(gè)響應(yīng)狀態(tài)；其中實(shí)心圓曲線為圓柱進(jìn)入鎖定時(shí)的速度，簡(jiǎn)稱鎖定啟動(dòng)速度，空心圓曲線為圓柱離開(kāi)鎖定時(shí)的速度，簡(jiǎn)稱鎖定退出速度。值得一提的是，由于S/D=0一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以此間隙比下并不存在鎖定區(qū)間。由圖可知，在限制區(qū)內(nèi)，圓柱在S/D=0.1時(shí)的鎖定啟動(dòng)/退出速度明顯低于相鄰間隙比；其余間隙比下的鎖定啟動(dòng)速度幾乎不變，均在U*=4.4附近，而鎖定退出速度持續(xù)減小，于S/D=0.5處達(dá)到最小值；此外，在限制區(qū)內(nèi)，圓柱的主要響應(yīng)狀態(tài)為碰壁振動(dòng)。對(duì)于非限制區(qū)，隨著間隙比的增加，鎖定啟動(dòng)速度變化較小，而鎖定退出速度越來(lái)越大，最終在S/D=2.5 達(dá)到最大值，但曲線斜率逐漸放緩；同時(shí)，圓柱的響應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)三個(gè)分支，且隨著間隙比的增加，初支范圍微增，上支范圍微減，而下支變化明顯，其范圍持續(xù)擴(kuò)大。

圖6 鎖定區(qū)間隨間隙比的變化Fig.6 Variation of lock-in range to S/D

2.2 尾流形態(tài)

間隙比在影響圓柱響應(yīng)的同時(shí)，也會(huì)造成圓柱尾流結(jié)構(gòu)的改變；此外，圓柱不同的響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的尾流形態(tài)也不一樣。此次研究通過(guò)流動(dòng)可視化手段(煙線)來(lái)呈現(xiàn)圓柱尾流的渦結(jié)構(gòu)，由于篇幅有限，僅挑選兩個(gè)具有代表性的間隙比。如圖7所示，分別呈現(xiàn)了限制區(qū)(S/D=0.5)與非限制區(qū)(S/D=1.5)的尾流渦結(jié)構(gòu)對(duì)比結(jié)果。對(duì)于間隙比S/D=0.5，圓柱發(fā)生碰壁振動(dòng)時(shí)，由于壁面的限制，尾流中僅可見(jiàn)規(guī)律性的上側(cè)渦脫，而下側(cè)區(qū)域流體通過(guò)量較小，在圓柱的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，近尾流剪切層向上卷起，與上側(cè)旋渦發(fā)生相互作用并融合，最終消散在遠(yuǎn)尾流當(dāng)中；隨著速度的增加，圓柱退出鎖定區(qū)間，呈幾乎靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)圓柱的尾流形態(tài)與圓柱振動(dòng)的情形有所區(qū)別，即圓柱的上側(cè)剪切層在遠(yuǎn)尾流區(qū)域才可見(jiàn)明顯渦脫，且下側(cè)的剪切層同樣在遠(yuǎn)尾流區(qū)域才形成向上卷曲，這在He等的研究中也能看到此現(xiàn)象。對(duì)于間隙比S/D=1.5，此時(shí)間隙距離足以容納圓柱下側(cè)旋渦的發(fā)展，當(dāng)U*=5.0時(shí)，圓柱振幅響應(yīng)位于初始分支，上側(cè)尾流形態(tài)與S/D=0.5的情形類似，而下側(cè)尾流結(jié)構(gòu)得以充分發(fā)展，受到壁面的影響較弱，整體流態(tài)為經(jīng)典的卡門渦街(即2S模式，表示每個(gè)振動(dòng)周期脫落兩個(gè)單渦)。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，響應(yīng)分支由初支過(guò)渡到上支，圓柱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓駝?dòng)，旋渦脫落于上下兩側(cè)平行排列，即平行渦模式。Morse等[21]將此平行渦模式稱為“2Po”，即2S向2P轉(zhuǎn)變的一種過(guò)渡形式，它出現(xiàn)在上分支中。繼續(xù)增加試驗(yàn)風(fēng)速，圓柱振幅發(fā)生跳躍(下支)，圓柱尾流中呈現(xiàn)出2P脫落模式(即每個(gè)振動(dòng)周期脫落兩對(duì)旋渦)，這種脫落形式一直維持至振動(dòng)減弱。

圖7 尾流渦結(jié)構(gòu)Fig.7 Wake vortex structure

2.3 平板表面風(fēng)壓系數(shù)

圓柱與壁面之間的氣動(dòng)力作用是相互的，平板的存在影響了圓柱的響應(yīng)規(guī)律以及尾流形態(tài)，同時(shí)圓柱的反饋又改變了平板表面的壓力分布。在實(shí)際工程中，靠近管道系統(tǒng)的壁面大多都是可侵蝕性的，陸面風(fēng)蝕作用或海底沖刷作用必然會(huì)影響到管道周圍的流動(dòng)。局限于試驗(yàn)條件，此次研究以間隙比作為變量代替侵蝕作用，來(lái)探討柱體附近壁面的風(fēng)壓分布，具有一定的參考意義。

本節(jié)挑選了4個(gè)具有代表性的間隙比(即S/D=0.1，S/D=0.5，S/D=0.8和S/D=1.5)來(lái)闡述平板表面的風(fēng)壓系數(shù)特征。圖8給出了這幾個(gè)典型間隙比下平板表面d點(diǎn)(d點(diǎn)位于圓柱正下方，見(jiàn)圖2)的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)C′p。如圖8(a)所示，當(dāng)S/D=0.1時(shí)，Cp隨U*的增加，整體呈“U”形曲線分布；在曲線的初端和末端，Cp的波動(dòng)不大，接近為直線，主要是因?yàn)閳A柱在此速度范圍內(nèi)幾乎成靜止?fàn)顟B(tài)；而在曲線的中部，Cp從初端迅速減小過(guò)渡到曲線底部，隨后跳躍式升高至末端區(qū)域，發(fā)生這種變化的主要原因是圓柱進(jìn)去鎖定區(qū)間后，振幅迅速變大，振動(dòng)形式為碰壁振動(dòng)，當(dāng)脫離鎖定時(shí)便突然停止振動(dòng)，從而引起Cp跳躍式轉(zhuǎn)變到末端的現(xiàn)象。當(dāng)S/D=0.5時(shí)，Cp同樣呈“U”形曲線分布，但相對(duì)于S/D=0.1來(lái)說(shuō)，U形區(qū)域變窄，Cp明顯增大；對(duì)比圖5(a)和圖7(a)中的S/D=0.1的情形，不難發(fā)現(xiàn)，“U”形曲線的底部與圓柱碰壁振動(dòng)的速度區(qū)間是相對(duì)應(yīng)的，也就是說(shuō)，圓柱振動(dòng)時(shí)離壁面越近，Cp的值趨向于更??；所以，S/D=0.5的“U”形曲線差別于S/D=0.1的主要原因可以歸結(jié)于間距的增大以及圓柱高振幅區(qū)間的縮小。隨著S/D的繼續(xù)增加，“U”形曲線越來(lái)越“平坦”。當(dāng)S/D達(dá)到1.5時(shí)，“U”形曲線幾乎呈直線，整體接近于-0.2。若S/D繼續(xù)增加至2.5時(shí)，Cp值將趨近于0，此時(shí)可認(rèn)為，該間隙下圓柱振動(dòng)對(duì)平板表面d點(diǎn)風(fēng)壓的影響可忽略不計(jì)。

如圖8(b)所示，對(duì)于C′p而言，隨著U*的增加，整體曲線呈倒“U”形，變化規(guī)律與Cp相似。但不同的是，當(dāng)S/D=0.5時(shí)，高振幅下的C′p比S/D=0.1大，比S/D=0.8卻要??；此外，對(duì)于所有S/D，圓柱靜止或微振下的C′p接近于0。

圖8 不同間隙比下平板表面d點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.8 Pressure coefficient of point d at different S/D

為了更加詳細(xì)地說(shuō)明平板表面整體風(fēng)壓分布與圓柱不同響應(yīng)狀態(tài)之間的關(guān)系，圖9呈現(xiàn)了幾個(gè)典型來(lái)流速度U*下(其中不同的U*對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)，見(jiàn)圖6)平板表面的Cp和C′p。當(dāng)S/D=0.1時(shí)，圓柱前后兩側(cè)的Cp值存在一個(gè)急劇的躍變，直至圓柱尾流較遠(yuǎn)的地方才緩慢升至平穩(wěn)；且圓柱靜止和振動(dòng)這兩種狀態(tài)導(dǎo)致平板表面Cp的分布明顯不同，振動(dòng)狀態(tài)下Cp的跳躍幅度相對(duì)更大；對(duì)應(yīng)的C′p圖中也可以發(fā)現(xiàn)，碰壁振動(dòng)圓柱正下方的測(cè)壓點(diǎn)(即d點(diǎn))出現(xiàn)最強(qiáng)烈的脈動(dòng)響應(yīng)，而離d點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的測(cè)壓點(diǎn)，C′p越小，但圓柱靜止時(shí)便不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。S/D=0.5時(shí)所得到的Cp和C′p的規(guī)律與S/D=0.1是一致的。但當(dāng)S/D=0.8時(shí)，其結(jié)果略有不同，圓柱大幅振動(dòng)下的Cp曲線比柱體靜止時(shí)的更加平滑，且最大C′p值不再是d點(diǎn)，而出現(xiàn)在圓柱后方的測(cè)壓點(diǎn)。此后，隨著S/D的增加，圓柱兩側(cè)的Cp差距逐漸減小，當(dāng)間隙增加至S/D=1.5時(shí)，Cp曲線的變化較為平緩，但圓柱兩側(cè)Cp的差距未完全消失；同時(shí)，從C′p圖中也能看出，在大間隙S/D=1.5下，不論圓柱是否振動(dòng)，平板表面各測(cè)點(diǎn)的C′p分布均未出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖9 不同速度下平板表面風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.9 Pressure coefficient of flat surface at different velocities

2.4 響應(yīng)頻率

當(dāng)振動(dòng)的圓柱離平板較近時(shí)，其表面風(fēng)壓將會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的周期性脈動(dòng)。為了明晰圓柱響應(yīng)與平板表面風(fēng)壓變化間的關(guān)系，圖10分別給出了4個(gè)典型間隙比下圓柱渦脫頻率fv、振動(dòng)頻率fc和d點(diǎn)風(fēng)壓脈動(dòng)頻率fp的對(duì)比結(jié)果，其中不同的陰影分段代表不同的圓柱響應(yīng)狀態(tài)。根據(jù)前人的研究可知，對(duì)于小間隙比下的靜止圓柱繞流，壁面對(duì)尾流旋渦的脫落存在強(qiáng)烈的抑制作用。在本次研究中，對(duì)于S/D≤0.3，圓柱靜止時(shí)未觀察到規(guī)律性的旋渦脫落。如圖10所示，對(duì)于S/D=0.1的非鎖定區(qū)間，由于圓柱振幅非常小，可認(rèn)為此時(shí)的流動(dòng)為靜止繞流，所以此部分的fv，fc與fp未能測(cè)出；而在鎖定區(qū)間內(nèi)，fv，fc與fp均可以測(cè)得，且三者完全重合，其頻率比略高于1，說(shuō)明小間隙比下的圓柱振動(dòng)反而受到了平板的促進(jìn)作用，這與Wang等所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果是一致的。至于其余間隙比，在鎖定區(qū)間外，圓柱可認(rèn)為靜止，其fv符合斯托羅哈率，而在鎖定區(qū)間內(nèi)，頻率比均維持在1附近。在2.3節(jié)中有提到，平板表面風(fēng)壓系數(shù)的變化與圓柱振動(dòng)時(shí)離平板的距離具有強(qiáng)相關(guān)性，也就是說(shuō)，風(fēng)壓系數(shù)的變化是圓柱振幅以及間距綜合影響的結(jié)果；所以，隨著S/D的增加，fp僅在圓柱較高振幅下才能測(cè)得，而在非碰壁、初支和下支區(qū)間，存在部分范圍未能捕獲到fp值。

圖10 響應(yīng)頻率對(duì)比結(jié)果Fig.10 Response frequency contrast

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)利用新型張力線振子系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng)風(fēng)洞渦振試驗(yàn)中彈簧所帶來(lái)的附加質(zhì)量的影響。同時(shí)基于設(shè)計(jì)的輕質(zhì)圓柱，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同間隙比S/D下的圓柱響應(yīng)以及平板表面風(fēng)壓系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)S/D=0時(shí)，在所有速度范圍內(nèi)圓柱恒靜止；當(dāng)0

(2) 在極小間隙比(0≤S/D≤0.3)情況下，靜止圓柱尾流的旋渦脫落被完全抑制，而振動(dòng)時(shí)的旋渦脫落得以加強(qiáng)。通過(guò)對(duì)比S/D=0.5和S/D=1.5的圓柱尾流結(jié)構(gòu)可知，較小間隙比下的圓柱尾流結(jié)構(gòu)呈單側(cè)渦街，表現(xiàn)形式單一；而較大間隙比下的圓柱尾流結(jié)構(gòu)受平板影響小，表現(xiàn)形式豐富，隨速度變化依次呈2S-平行渦-2P。

(3) 平板表面風(fēng)壓系數(shù)與圓柱振幅以及間隙比密切相關(guān)。相對(duì)于圓柱靜止來(lái)說(shuō)，圓柱振動(dòng)時(shí)d點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp顯著降低，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)C′p顯著升高；圓柱前后平板表面的Cp值存在較大的跳躍，且這種跳躍會(huì)隨著圓柱的振動(dòng)而加??；隨著S/D的增加，這些現(xiàn)象會(huì)逐漸削弱。