Колебания упругого цилиндра в резонансных условиях вблизи твердых тел
Автор: Олег Олегович Иванов
Организация: НИИ механики МГУ
Усиление амплитуды колебаний цилиндра у задней кромки пластины по сравнению с амплитудой одиночного цилиндра. Gap – зазор между поверхностями цилиндра и пластины, Spacing – смещение центра цилиндра по потоку относительно задней кромки пластины. Направление потока – слева направо, поверхность пластины соответствует Gap=0.
Колебания, возникающие в поперечном потоке жидкости или газа за плохо обтекаемыми телами из-за периодического срыва вихрей могут приводить к неприятным условиям эксплуатации различных конструкций, вплоть до их разрушения, но в то же время эти резонансные колебания можно использовать в малых устройствах, преобразующих энергию движения среды в электроэнергию, поэтому изучение этого явления имеет большую практическую значимость.
В данном исследовании рассматривается обтекание упругого цилиндра – резинового круглого шнура диаметром D = 6 мм, установленного в рабочей части аэродинамической трубы с поперечным сечением 500x300 мм. Скорости, на которых наблюдаются резонансные колебания, соответствуют 0.4-0.6 м/с.
В предварительных экспериментах с одиночным цилиндром получена максимальная относительная амплитуда колебаний A/D ~ 0.29 и качественное сходство с другими экспериментами [1], проведенными преимущественно на упруго подвешенных цилиндрах. Визуализация показала небольшую модификацию вихревой дорожки из-за осцилляции шнура. Следующие серии экспериментов проводились при поперечном относительно скорости потока расположении упругого шнура и: а) жесткого цилиндра такого же диаметра; б) жесткой пластины, сонаправленной с потоком. Влияние зазора G между упругим шнуром и вторым объектом на амплитуду показано на рисунке. Для тандема цилиндров найдено, что при зазоре, меньшем половины, колебания отсутствуют, а для 1–1.5 диаметров существует плато, где амплитуда колебаний приблизительно одинакова, затем оно резко переходит в зону отсутствия взаимного влияния цилиндров друг на друга.
В случае расположения цилиндра рядом с пластиной последняя имела длину 35 мм, толщину 2 мм, а концы скруглены по эллипсу с полуосями 3 и 1 мм. Было найдено, что амплитуда колебаний уменьшается при расположении цилиндра «над» пластиной (Рис., S < 0). В непосредственной близости от задней кромки цилиндра и далее по потоку (S > 0) обнаружены зоны усиления колебаний амплитуды вплоть до 40% по сравнению с одиночным цилиндром. На дымовых визуализациях видно, что присутствие цилиндра у задней кромки пластины приводит к более скорому развитию неустойчивости следа пластины, который разрушается в вихри, напоминающие вихри Кельвина-Гельмгольца. Скорее всего, присутствие этих вихрей, сходящих с частотой парных вихрей кармановского типа, воздействуют на цилиндр в фазе движения и усиливая колебания.
1. Williamson C. H. K., Govardhan R. Vortex-induced vibrations //Annu. Rev. Fluid Mech. 2004. Т. 36. С. 413-455.
