Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35

равным 0,2 для всех чисел Рейнольдса, за исключением интервала очень малых чисел.

В области кризиса обтекания числа Струхаля дают разброс, достигая значений 0,45 и 0,1. За кризисом Sh~0,2. Это установлено косвенными приемами: по замеренной частоте и скорости потока, обтекающего цилиндры большого диаметра (например, у дымовых труб), по снежным и песчаным вихрям, наблюдаемым за самодвижущимся экипажем (автомобиль, поезд), а такл<е по ритмичным ударам по румпелю движущейся яхты. Такие вихри хорошо заметны за быками речных мостов. Эти примеры свидетельствуют о регулярных срывах вихрей при числах Рейнольдса 10 и более.

Срывы вихрей наблюдаются у разнообразных по профилю тел; частота срывов определяется числом Струхаля, значение которого колеблется в широких пределах, от 0,12 до 0,65 (см. табл. 3.1 и 3.5) и шире. Разные значения чисел Струхаля зависят от того, что принимается в формуле (3.28) за размер d: ширина дорожки вихрей или характерный, т. е. поперечный к потоку, размер тела. Причиной разброса чисел Струхаля могут быть способы оценки частоты.

Вихри, срывающиеся с цилиндра с частотой, определяемой числом Струхаля, приводят к появлению знакопеременной подъемной силы. Механизм этого явления заключается в следующем: при срыве вихря, например, с нижней стороны горизонтального цилиндра (левое вращение), возникает вращательное движение жидкости, противоположное по знаку вращению оторвавшегося вихря, что следует из постоянства циркуляции (теорема Томсона). Это вращательное движение жидкости вокруг цилиндра приводит к увеличению скорости сверху и к ее понижению снизу, что по теореме Бернулли повышает давление снизу цилиндра и понижает - сверху. Вследствие разности давлений возникает направленная поперек потока и вверх подъемная сила. Через полупериод, определяемый для круглого цилиндра числом Струхаля, равным 0,2, срывается сверху вихрь правого вращения; циркуляция будет противоположного вращения, что вызывает появление подъемной силы, направленной вниз. Через следующий полупериод картина зеркально повторится и т. д. При неизменной скорости потока такие вихри регулярно срываются с цилиндра и на него также регулярно действуют импульсы силы. Подъемная сила не может мгновенно появиться и исчезнуть через полупериод, что объясняется инерцией жидкости, поэтому график движения ее имеет вид синусоиды со сдвигом фазы приблизительно на 90° относительно движения. Это установлено опытами в трубе с использованием градуированных датчиков давления с поправками на инерцию [24].

При изучении- периодических явлений требуется не только геометрическое подобие модели и равенство чисел Рейнольдса, но и уравнивание чисел Струхаля.

Механизм движения упруго закрепленного круглого цилиндра в потоке жидкости сложнее, но вместе с тем имеется много общего с обтеканием неподвижного цилиндра. При отрыве вихря с цилиндра также возникает подъемная сила, заставляющая его перемещаться в направлении поперек потока до тех пор, пока не установится равновесие. После этого цилиндр под влиянием восстанавливающей силы (пружины, упругости материала) начнет двигаться в противоположном направлении. Если скорость потока такова, что через промежуток, равный полупериоду колебаний цилиндра, сорвется вихрь с другой стороны, т. е. противоположного вращения, то возникнет подъемная сила обратного знака, стимулирующая начавшееся под влиянием восстанавливающей силы движение. Через полупериод, также определяемый числом Струхаля, равным 0,2, снова возникает из-за срыва вихря подъемная сила, которая также будет поддерживать возникшие поперечные к потоку колебания.

В отсутствии рассеяния энергии амплитуда колебаний возросла бы до бесконечности. В реальных условиях потери энергии в системе «цилиндр - окружающая среда», растущие с амплитудой колебаний, становятся, наконец, равными подводимой из потока энергии, если до этого не произойдет разрушение материала цилиндр а, ил и его опорных закреплений. После этого колебания будут происходить с постоянной амплитудой и неизменной частотой. Они называются самовозбуждающимися колебаниями или автоколебаниями, потому что поток, из которого черпается энергия, не обладает.периодическими свойствами. Механизмом обратной связи в трактовке теории колебаний являются срывающиеся с цилиндра вихри, в силу чего происходит периодическое заимствование из потока энергии для восполнения потерь в колеблющейся системе.

Срывы вихрей с цилиндра происходят в его крайних положениях или вблизи их. Очень важно, что срыв вихрей наблюдается одновременно по всей длине цилиндра. Если колебания цилиндра происходят с несколькими полуволнами, то вихри срываются в крайних положениях одновременно с каждой полуволны. Это установлено визуализацией течения вокруг цилиндра с помощью пузырьков газа, образующегося при электролизе воды в канале. Исследуемый цилиндр служил одним из электродов.

Величина подъемной силы у колеблющегося цилиндра определялась рядом исследователей в разнообразных по постановке опытах, а также теоретическим путем. Значения коэффициента подъемной силы Су оказались в широких пределах (от 0,1 до 1,5), что объясняется разными условиями экспериментов или гипотезами в основе теоретических расчетов. При проверке на «резонанс» цилиндрических конструкций по СНиП принимают коэффициент Су = 0,3.

Колебания упругих цилиндров в потоке происходят прибли-

зительно с собственной частотой; они начинаются, когда число Струхаля приближается к 0,2. С повышением скорости потока частота колебаний гибкого цилиндра незначительно растет, затем они срываются и возобновляются на частоте следующей гармоники. В опытах с гибкими стержнями удалось наблюдать три формы колебаний: с частотами 3,5; 22 и 61,7 гц, что соответствует гармоникам однородного консольного стержня (МГУ).

Затягивание колебаний цилиндров, замеченное до 3U, где V- скорость потока, определяемая числом Sh = 0,2, может быть даже и при больших величинах V. Это неоднократно наблюдалось на проводах высоковольтных линий электропередачи, что также свидетельствует о самовозбуждающихся колебаниях, а не о резонансе в обычном понимании. Затягивание колебаний зафиксированы и при снижении скорости потока.

Колебания, вызываемые периодическим срывом вихрей, наблюдаются у различных по форме поперечного сечения цилиндров-стержней.

Вибрация круглых цилиндров замечена при скоростях ветра от долей метра до 15-20 м/сек, т. е. она наблюдается довольно часто, если цилиндры расположены на большой высоте от поверхности земли. Опасной областью такого рода колебаний круглых стальных стержней решетчатых конструкций будут элементы с гибкостью от 100 до 350.

Вибрацию стержней гасят с помощью подвесок, узловых закреплений или других конструктивных приемов, которые можно назвать пассивными. Активный прием гашения вибрации цилиндров- аэродинамический, когда воздействуют на характер обтекания таким образом, чтобы не возникала регулярная подъемная сила, возбуждающая колебания.

Картина обтекания круглого цилиндра определяется в основном местом отрыва пограничного слоя, толщина которого мала. Это открывает путь управления им с помощью устанавливаемых на цилиндре небольших по высоте препятствий - интерцепторов, так как не следует увеличивать сильно ветровую нагрузку. Наилучшее действие на вертикальные цилиндры оказывают спиральные (винтовые) интерцепторы. Кроме того, они на меньшую величину повышают сопротивление цилиндра ветру (см. рис. 3.-28).

Для горизонтального цилиндра достаточно интерцептора под углом 0°. Интерцепторы оказались эффективным средством гашения вибрации висячих трубопроводов, стальных дымовых труб, телевизионной башни высотой 180 м, телевизионной трубчатой мачты высотой 301 м и др. [25].

Интерцепторы по образующим цилиндра гасят или стимулируют колебания в зависимости от угла их установки. Например, интерцептор под углом около 45° к передней критической точке стимулирует колебания (см. .рис. 3.29), установка другого под углом -45° увеличивает неустойчивость цилиндра. Спиральные