Исследование влияния концевых эффектов на крутильные аэроупругие колебания цилиндра
Автор: Ярослав Владиславович Демченко
Соавторы: Олег Олегович Иванов
Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
В последние годы всё более актуальными становятся работы по созданию новых типов ветрогенераторов, в том числе, основанных на явлении резонансных аэроупругих колебаний цилиндра, вызванных дорожкой Кармана, которая образуется позади плохообтекаемых тел при обтекании их поперечным потоком газа или жидкости [1, 2]. В данной работе экспериментально изучены аэроупругие колебания круглого цилиндра, закреплённого поперёк набегающего воздушного потока на консольной балке. Подобная конфигурация не нова и рассматривалась, например, в работе [3]. Однако только в нашей работе [4] удалось показать наличие, помимо классических поперечных колебаний, ранее не исследованного крутильного типа колебаний
(Рис. 1). Он вызван резонансом аэродинамических сил, вызванных сходом вихревой дорожки Кармана с вращательными колебаниями цилиндра, когда балка совершает крутильные движения. В этом режиме оказалось, что вихревые дорожки Кармана, генерируемые верхней и нижней частями цилиндра, сходят в противофазе, т.е. сдвинуты по фазе на π. Фаза схода вихрей резко меняется вблизи закрепления балки, которая ведёт себя как разделительная пластина (splitter plate), предотвращающая образование вихрей в сечениях вблизи оси вращения цилиндра. Большое внимание уделено влиянию концевых эффектов при обтекании свободных торцов цилиндра. Для этого было изготовлено несколько вариантов аэродинамических поверхностей (шайб), обеспечивающих разные концевые условия. Также обсуждаются методы нахождения сдвига фаз схода дорожек Кармана в симметричных сечениях цилиндра относительно оси вращения, основанные на расчёте корреляций временных рядов [4], соответствующих перемещениям цилиндра и мгновенным скоростям потока в следе цилиндра, а также на применении преобразования Гильберта.
1. Bernitsas, M. M., Raghavan, K., Ben-Simon, Y., Garcia, E. M. H., 2008. VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy): A new concept in generation of clean and renewable energy from fluid flow. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 130(4).
2. Williamson, C. H. K., Govardhan, R., 2004. Vortex-induced vibrations. Annual Review of Fluid Mechanics, 36, 413–455.
3. Azadeh-Ranjbar, V., Elvin, N., Andreopoulos, Y., 2018. Vortex-induced vibration of finitelength circular cylinders with spanwise free-ends: Broadening the lock-in envelope. Physics of Fluids, 30(10), 105104.
4. Demchenko, Y., Ivanov, O., and Vedeneev, V., 2025. Experimental investigation of rotational vortex-induced vibrations of a circular cylinder attached to an elastic beam. Journal of Fluids and Structures, 133, 104266.
