МОДИФИКАЦИЯ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ УПРУГОГО ЦИЛИНДРА В ПОТОКЕ ГАЗА ВБЛИЗИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ
Автор: Олег Олегович Иванов
Соавторы: Веденеев В.В.
Организация: НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Рис. а) схема эксперимента в аэродинамической трубе; б) амплитуда колебаний A/D одиночного (isolated cylinder) цилиндра и вблизи твердых пластин (plate) в зависимости от приведенной скорости потока.
При движении жидкости или газа около плохо обтекаемых тел в широком диапазоне чисел Рейнольдса наблюдается процесс периодического схода вихрей за телом, что приводит к действию периодической силы на тело. Для упругих конструкций при сближении одной из собственных частот с частотой схода вихрей возникает резонанс, при котором амплитуда колебаний может быть значительна [1, 2], и что, в свою очередь, может приводить к неприятным условиям эксплуатации различных конструкций, вплоть до их разрушения. В то же время использование таких колебаний может быть использовано для отбора механической энергии из потока и преобразовании ее в электрическую.
В данной работе изучается изменение характеристик резонансных колебаний упругого цилиндра при постановке рядом с ним твердых тел. Ранее было получено [3], что при постановке пластины обтекаемой формы с размерами 35х2 мм можно добиться увеличения амплитуды колебаний до 39% по сравнению с одиночным цилиндром. Поэтому вызывает интерес провести эксперименты с твердыми телами другой формы. В качестве таковых были взяты пластины с прямоугольным сечением 15х2 мм и 15х4 мм, эллиптический профиль с осями 64х8 мм, а также профиль симметричного крыла NACA0016 с хордой 60 мм.
Была проведена серия экспериментов в аэродинамической трубе для конфигураций «Цилиндр+пластина» с измерением амплитуды колебаний цилиндра диаметром D=6 мм и частотой собственных колебаний f=15.3 Гц. Для пластины 15х2 мм было получено увеличение амплитуды до 55% и существенное смещение диапазона резонансных колебаний (т.н. диапазона синхронизации) в сторону больших скоростей. Для пластины 15х4 мм получено наибольшее усиление колебаний до ~80%, а также в рамках эксперимента конец области колебаний не был обнаружен.
Колебания цилиндра при постановке крыльевого профиля NACA0016 увеличивались незначительно (1.3%), в то время как для эллиптического профиля увеличение максимальной амплитуды составило 32.5% с серьезным увеличением диапазона синхронизации.
Было показано важность учета угла набегания потока на ветроустановку: при малых углах атаки для эллиптического профиля был зафиксировано увеличение эффективности, однако при дальнейшем росте углов эффективность значительно упала.
1. Девнин С. И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: Справочник // Судостроение. 1983. Т. 331.
2. Williamson, C. H. K., Govardhan, R., 2004. Vortex in-duced vibrations. // Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 413-455.
3. Ivanov O., Vedeneev V. Vortex-induced vibrations of an elastic cylinder near a finite-length plate //Journal of Fluids and Structures. 2021. Т. 107. С. 103393.
