基于涡激共振原理的减阻抑振装置

1.本实用新型属于减阻抑振设备技术领域，尤其涉及一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置。


背景技术：

2.由于圆形断面细长结构的不同部位在气流的作用下会产生两种力：顺风向的阻力和横风向的升力。当气流经过圆柱状结构体尾流时，会在结构尾部形成较强负压，使圆柱状结构体受到顺风向的阻力；当气流经过圆柱状结构体背风面时，会有交替的旋涡脱落，使圆柱状结构体受到横风向周期性的升力。在这两种力的共同作用下，将引发涡激振动。特别当旋涡脱落的频率与圆柱状结构体的自振频率相耦合时，结构体的振幅会显著增大，结构体就会发生涡激共振，进而发生疲劳破坏或者结构失效，损耗建筑物使用寿命，对结构安全十分不利。于悬索桥而言，会影响行车体验感，诱发交通安全事故；于建筑物而言，会影响住房舒适性，容易引发住户恐慌，甚至发生踩踏事故。
3.此类结构在土木工程领域有广泛的应用，如桅杆、路灯、信号塔及各类索结构。而细长结构建筑物对风荷载更为敏感，在较低风速就会发生涡激共振。加之近年来轻质、低频、小阻尼材料在超高层建筑中的广泛应用，超高层建筑发生横风向涡激共振锁定的危险性日益增大。
4.随着可再生能源以及5g通信领域的快速发展，各种新产品、高科技产品在吸引群众眼光和科技人员探索方面有着得天独厚的优势，未来会有大量的高耸路灯、风力发电机、5g基站等投入运营。针对细长结构最为敏感的风致灾害问题，本实用新型将发挥不可估量的作用，可以帮助社会解决风致灾害带来的问题，回应了当前的市场需求。
5.目前，市面上较常用的抑制圆柱结构涡激振动的措施是改变结构表面形状或附加额外装置对流场进行干扰抑制旋涡的脱落，其中，气动措施中抑制圆柱状结构体涡激振动的气动方法有多种，如螺旋线、整流罩、行波壁等。但它们在使用过程中都存在一定的局限性。缠绕螺旋线在抑制振动的同时会增加圆柱形结构体受到的阻力；整流罩能够起到抑振减阻作用，但其设计复杂，并且成本较高，不利于大面积推广；行波壁结构复杂，成本高。分离盘和整流罩在降低阻力系数方面也有良好表现，但是覆盖率及来流方向对其减阻抑振性能影响较大，甚至会引起圆柱结构体的驰振。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置，旨在解决现有技术中利用气动方式抑制圆柱状结构体涡激振动存在结构设计复杂、制作成本高，或圆柱状结构体所受阻力大的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
8.一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置，包括能够绕圆柱状结构体转动的减阻抑振环，所述减阻抑振环为开口向外的弧形板，所述减阻抑振环的开口位于背对气流来流方
向的背风面；所述减阻抑振环的中心线与结构体的中心轴线平行或重合。
9.优选的，所述减阻抑振环与套环相连，所述套环能够套装于结构体的外圆上，所述减阻抑振环的轴向长度大于套环的轴向长度；所述套环通过转动组件与结构体转动相连。
10.优选的，所述套环与减阻抑振环的外圆相切，所述套环与减阻抑振环的中心连线垂直于减阻抑振环的开口所在平面。
11.优选的，所述减阻抑振环的中心角为180
°
。
12.优选的，所述减阻抑振环的外径为0.5d，d为结构体的外径。
13.优选的，所述减阻抑振环靠近结构体的一面为第一弧面、远离结构体的一面为第二弧面，所述第二弧面的圆心与所述第一弧面的圆心重合。
14.优选的，所述减阻抑振环与套环一体成型。
15.优选的，所述结构体的高度为h，所述减阻抑振环的安装高度为0.6h。
16.优选的，所述转动组件为轴承，所述轴承的内圈套装固定在结构体上，所述套环与轴承的外圈相连。
17.优选的，所述减阻抑振环及转动组件为若干个，且沿结构体的长度方向间隔布置。
18.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过在圆柱状结构体上安装开口朝向背风面的减阻抑振环，在风向改变时减阻抑振环能够绕圆柱状结构体转动，可使减阻抑振环的开口在风力作用下始终处于背风面，气流沿着减阻抑振环的外侧面向两侧流动，通过改变空气流动方向既能抑制圆柱状结构体涡激振动，又能减小圆柱状结构体所受的阻力；同时能够减小顺风向阻力和横风向升力。本实用新型具有结构简单、制作成本低、抑振减阻效果好的优点，同时安装便捷、用户体验好，采用本实用新型能够改善现有细长结构体的涡激共振状况，提高结构稳定性及承载能力，增加建筑安全性，方便推广应用。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
20.图1是本实用新型实施例提供的一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置的结构示意图；
21.图2是图1中基于涡激共振原理的减阻抑振装置的俯视图；
22.图3是本实用新型一个实施例中转动组件的结构示意图；
23.图中：1-结构体；2-减阻抑振环，20-套环，21-第一弧面，22-第二弧面；3-转动组件，31-内环箍，32-外环箍，33-导向环，34-滚珠；4-石墨垫；5-限位件。
具体实施方式
24.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.请一并参阅图1及图2，本实用新型提供的一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置，包括能够绕圆柱状结构体1转动的减阻抑振环2，所述减阻抑振环2为开口向外的弧形
板，所述减阻抑振环2的开口位于背对气流来流方向的背风面；所述减阻抑振环2的中心线与结构体1的中心轴线平行或重合。其中，所述减阻抑振环2与套环20相连，所述套环20能够套装于结构体1的外圆上，所述减阻抑振环2的轴向长度大于套环20的轴向长度；所述套环20通过转动组件3与结构体1转动相连。
26.当气流的来向与减阻抑振环成某一交角时，气流对减阻抑振环产生压力，这个力可以分解成平行和垂直于结构体的两个风力。由于套环受风面积比较小，减阻抑振环受风面积比较大，因而感受的风压不相等，作用于减阻抑振环的流体压力产生流体压力力矩，减阻抑振环被流体往后推，减阻抑振环借助转动组件绕结构体旋转，直至减阻抑振环正好背对风的来向时，由于减阻抑振环两边受力平衡，减阻抑振环就稳定在结构体的背风面，且开口始终背离气流的来流方向。
27.在本实用新型的一个具体实施例中，如图2所示，所述套环20与减阻抑振环2的外圆相切，所述套环20与减阻抑振环2的中心连线垂直于减阻抑振环2的开口所在平面。其中，所述减阻抑振环2的中心角为180
°
；所述减阻抑振环2的外径为0.5d，d为结构体的外径。套环20及减阻抑振环2的尺寸可根据结构体的尺寸具体调整，能够适应于任意尺寸的结构体。采用半圆结构的减阻抑振环，结构简单、制作成本低。
28.作为一种优选结构，所述减阻抑振环2靠近结构体1的一面为第一弧面21、远离结构体1的一面为第二弧面22，所述第二弧面22的圆心与所述第一弧面21的圆心重合。第一弧面21具备足够的与气流碰撞的面积，保证了气流可以沿减阻抑振环2的环向流动。
29.进一步优化上述方案，所述减阻抑振环2与套环20均采用塑料材质，采用注塑一体成型的加工工艺制作，适应批量生产需求，实现规模化生产，能够降低生产成本。
30.具体设计时，所述结构体1的高度为h，所述减阻抑振环2的安装高度为0.6h。减阻抑振环2安装在此高度应对各种风场均有较好的减阻抑振效果。
31.在本实用新型的一个具体实施例中，当结构体的外径较小时，所述转动组件3选用轴承，所述轴承的内圈套装固定在结构体1上，所述套环20与轴承的外圈相连。通过调整轴承在结构体的位置，可将减阻抑振环固定于任意位置。
32.本实用新型的另一个具体实施例中，如图3所示，所述转动组件3包括内环箍31和外环箍32，所述外环箍32能够与内环箍31转动配合，所述内环箍31固定于结构体1的外壁上，所述外环箍32与套环20相连。内环箍31与外环箍32之间通过设置滚珠接触、润滑脂或石墨垫来减小二者相互转动过程中所受摩擦力，确保套环转动自由。当结构体的外径尺寸较大时，可将内环箍31和外环箍32设计为分体式结构，在组装时并保证配合面密封良好。并在内环箍31的底部安装限位件5，避免在使用过程中内环箍向下滑移。
33.作为一种优选结构，如图3所示，所述内环箍31的外圆面上设有断面为t形的导向滑槽，所述外环箍32的内侧圆面上设有与导向滑槽配合的导向环33，所述导向环33与导向滑槽的配合圆面之间设有滚珠34，所述导向环33与导向滑槽的配合圆面上对应设有与滚珠34配合的圆弧槽；所述导向环33与导向滑槽的配合面之间填充润滑脂。同时，在导向滑槽向外侧开口的底面上敷设石墨垫4，能够减小导向环33与之转动配合过程中的摩擦力。
34.具体装配时，所述弧形板21通过连接件与外环箍32相连。连接件可采用螺栓或螺杆，通过在套环及外环箍上预先加工与连接件配合的安装孔，方便快速装配。
35.需要说明的是，转动组件3可以在圆柱状结构体1加工制作期间安装到位，也可以
在圆柱状结构体1架设完成后再安装到位。
36.在本实用新型的另一个具体实施例中，所述减阻抑振环2及转动组件3设计为若干个，且沿结构体1的长度方向间隔布置。采用该结构能够进一步减小结构体所受风阻，并抑制涡激振动发生。
37.本实用新型中仅要求套环及减阻抑振环的外壁光滑，其他结构不做限定，使得其结构简单、制作成本低；套环通过转动组件与圆柱状结构体连接。装配时，只要求套环的中心轴线与圆柱状结构体的中心轴线平行或重合，其他部位的装配不做要求，使得装配方式简单便捷。
38.本实用新型的减阻抑振原理如下：
39.在圆柱状结构体的轴向中心的位置处安装上述减阻抑振环，所述减阻抑振环位于圆柱状结构体的背风面，并使减阻抑振环的开口背对来流风方向。
40.由圆柱状结构体的迎风面向背风面流动的气流，在流经圆柱状结构体时，部分气流与减阻抑振环的第一弧面碰撞，在第一弧面的阻挡下，气流顺着减阻抑振环的第一弧面向两端分散流动；
41.顺着减阻抑振环的第一弧面向两侧分散流动的气流破坏结构体的背风面产生的交替脱落的漩涡，削减漩涡脱落产生的周期力，从而抑制结构体涡激振动；
42.顺着减阻抑振环的第一弧面向两端分散流动的气流，还会改变结构体背风面的风压分布，减弱背风面的负压，进而减小结构体的迎风面和背风面的压力差，减小结构体所受的阻力。
43.为了减小圆柱状结构体1的气动阻力以及抑制圆柱状结构体1涡激振动，利用数值模拟及试验来验证上述方案的减阻抑振效果。圆柱状结构体采用圆柱模型来代替，具体分析过程如下：
44.在恒定层流中，圆柱状结构体1的尾流区会产生交替脱落的旋涡，旋涡的脱落会对圆柱状结构体1产生周期性的横风向的升力fl，从而使圆柱状结构体发生横风向振动；且在流场中，圆柱状结构体1的迎风面会形成正压而背风面产生负压，使圆柱状结构体1受到一个顺风向的阻力fd。
45.由于影响圆柱受迫振动的因素非常多，包括模型尺寸参数，气动参数及运动参数，且部分参数之间本身具有关联性，因此主要参数的选取是十分重要的；考虑到无量纲化后更能反映事物的本质特征，所有参数均采用无量纲化处理，下表为数值模拟所用参数的详细说明：
0.9622965152548872的绝对值。故安装减阻抑振环2后，圆柱状结构体发生横风向振动减弱。
54.将上述模型放置于风洞进行试验，可明显观察到安装减阻抑振环2后圆柱振幅减小，可知减阻抑振环2抑振效果好。
55.在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受上面公开的具体实施例的限制。

技术特征：
1.一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于：包括能够绕圆柱状结构体转动的减阻抑振环，所述减阻抑振环为开口向外的弧形板，所述减阻抑振环的开口位于背对气流来流方向的背风面；所述减阻抑振环的中心线与结构体的中心轴线平行或重合。2.根据权利要求1所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环与套环相连，所述套环能够套装于结构体的外圆上，所述减阻抑振环的轴向长度大于套环的轴向长度；所述套环通过转动组件与结构体转动相连。3.根据权利要求2所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述套环与减阻抑振环的外圆相切，所述套环与减阻抑振环的中心连线垂直于减阻抑振环的开口所在平面。4.根据权利要求3所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环的中心角为180
°
。5.根据权利要求4所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环的外径为0.5d，d为结构体的外径。6.根据权利要求1所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环靠近结构体的一面为第一弧面、远离结构体的一面为第二弧面，所述第二弧面的圆心与所述第一弧面的圆心重合。7.根据权利要求2所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环与套环一体成型。8.根据权利要求2所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述转动组件为轴承，所述轴承的内圈套装固定在结构体上，所述套环与轴承的外圈相连。9.根据权利要求1所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述结构体的高度为h，所述减阻抑振环的安装高度为0.6h。10.根据权利要求1-9任一项所述的基于涡激共振原理的减阻抑振装置，其特征在于： 所述减阻抑振环及转动组件为若干个，且沿结构体的长度方向间隔布置。

技术总结
本实用新型公开了一种基于涡激共振原理的减阻抑振装置，属于减阻抑振设备技术领域，包括能够绕圆柱状结构体转动的减阻抑振环，减阻抑振环为开口向外的弧形板，减阻抑振环的开口位于背对气流来流方向的背风面；减阻抑振环的中心线与结构体的中心轴线平行或重合。通过在圆柱状结构体上安装减阻抑振环，减阻抑振环的开口在风力作用下始终处于背风面，气流沿着减阻抑振环的外侧面向两侧流动，通过改变空气流动方向既能抑制圆柱状结构体涡激振动，又能减小圆柱状结构体所受的阻力。本实用新型具有结构简单、制作成本低、抑振减阻效果好的优点，同时安装便捷，能够改善细长结构体的涡激共振状况，提高结构稳定性及承载能力，增加建筑安全性。全性。全性。


技术研发人员：张祥翔 马文勇 马瑞婧 唐子祁 范佳铖
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/8/17