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涡致振动中结构大幅振动的机理到底是什么—— 航空学院张伟伟教授团队澄清一个国际学术争议
2015-10-27 15:39   审核人:

钝体绕流中,分离流动作用于结构上会使得弹性结构发生振动,这种现象就是司空见惯的涡致振动。在经典的气动弹性力学中,将涡致振动归为动力响应问题,因此结构的振动频率将跟随流动的脱涡频率。然而,随着流速的改变,当流动的脱涡频率靠近结构的固有频率时,结构振动频率不再跟随流动特征频率,而是保持其固有模态频率振动,这种反常现象在流固耦合研究领域被成为“锁频,Lock in”现象,并且锁频振动时的结构振幅很大,常常会造成结构破坏。

针对锁频现象的机理解释,学界的主流观点认为是非线性共振,如现代气动弹性力学著名学者、美国工程院Dowell院士和风工程领域权威学者Scanlan教授指出“这是由于旋涡诱导的频率与结构固有频率一致时发生共振所致”[1],我国涡动力学方面的著名专家尹协远教授也指出:频率锁定是一种典型的外激发频率与流动的自然(脱涡)频率之间的非线性共振现象 [2]。然而,也有一些学者在实验中发现,锁频也会发生在共振区之外,锁频时频率还会偏离固有频率,锁频阶段的结构最大振幅不是在频率共振点,这些现象都很难从共振角度进行解释。

Journal of Fluids and Structures现任主编De Langre E [3]利用线化的Van der pol 涡激振动模型,发现当结构频率和脱落涡频率接近时,耦合系统会出现类似于颤振的失稳现象。但由于该研究模型过于简单,假设较多,成果发表以来,该解释一直未得到同行的广泛关注和认可。涡致振动领域的权威学者Williamson教授在Annual Review of Fluid Mechanics的一篇综述[4]中对涡致振动试验或计算中出现的锁频现象专门作了回顾和总结,但对锁频的诱导机理只字未提,也许是其对主流的“共振导致锁频”有所保留所致。

    近期,西北工业大学气动弹性研究所张伟伟教授带领的团队通过数值模拟、理论建模以及特征分析,揭示了锁频产生的机理。研究发现锁频现象可分为共振型锁频和耦合颤振型锁频两种模式:(1)当结构固有频率在流动的线性特征频率附近时,流动模态和结构模态耦合效应较强,锁频现象与共振密切相关;(2)当结构固有频率高于流动线性特征频率时,结构模态和流动模态耦合导致的结构模态失稳(颤振)是促发锁频的根本原因,这也是锁频在共振区之外出现的主要原因。该研究澄清了国际上对锁频诱导机理的争议,对锁频现象的奇妙特征给予了很好的解释,并对如何抑制结构大幅振动具有重要的理论指导价值。相关研究近期发表在流体力学领域的顶级刊物Journal of Fluid Mechanics 上,这是我校以通讯单位近三十年来在该刊再次发表的第一篇研究论文。(审核:杨智春)

1Dowell E.H., Clark R., Scanlan R., et.al, A Modern Course in Aeroelasticity-Fourth Revised and Enlarged Edition[M]. Kluwer Academic Publishers, 2005.

2、尹协远, 孙德军. 旋涡流动的稳定性[M]. 国防工业出版社, 2003, pp:100-102.

3De Langre E. Frequency lock-in is caused by coupled-mode flutter. Journal of Fluids and 4Structures[J], 2006, 22(6): 783-791.

4Williamson C H K, Govardhan R. Vortex-induced vibrations[J]. Annu. Rev. Fluid Mech., 2004, 36: 413-455.

5Zhang Weiwei, Li Xintao, Ye Zhengyin and Jiang Yuewen. Journal of Fluid Mechanics[J], 2015, vol. 783, pp. 72-102.

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