Вибрация стержней в потоке жидкости
Автор: Николай Алексеевич Прибатурин
Соавторы: Лобанов П.Д., Меледин В.Г.
Организация: Институт теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск
Рис. Пример перемещения оси стержня во времени (слева) и поле скорости жидкости (справа).
Взаимодействие потока жидкости с твердым телом является активно развивающейся областью механики. Одной из фундаментальных проблем является задача о колебании цилиндрического стержня и/или сборки стержней в осевом потоке жидкости. В большинстве случаев практический интерес представляют низкочастотные колебания стержней, доминирующая частота колебания которых соответствует первой моде колебания цилиндра. Обсуждается, что источником возбуждения колебаний является турбулентное течение жидкости, поэтому проблемы, связанные с вибрацией, вызванной потоком жидкости, часто характеризуются как внешне-индуцированные возбуждения.
В настоящее время, однако, отсутствует общепринятая физическая модель колебаний одиночного стержня и тем более сборки вертикальных стержней в продольном потоке жидкости и основанное на ней математическое описание процесса. Расчет колебаний стержней в потоке жидкости требует совместного анализа их жесткости, способа крепления и для сборки стержней их позиционирования друг относительно друга. Колебания стержня, вызванные осевым потоком жидкости в настоящее время исследуются с использованием методов вычислительной гидродинамики и механики твердого тела. Для валидации таких расчетов необходимы экспериментальные данные. Большинство экспериментов было сосредоточено только на изучении механической вибрации, а экспериментальные исследования, в которых одновременно измерялось перемещение стержня и поле течения жидкости вдоль него отсутствуют. Для пучка стержней экспериментальные исследования до сих пор остаются практически единственным детальным способом изучения характеристик их динамического отклика на воздействие потока жидкости.
Данный доклад посвящен анализу современных представлений о причинах колебания стержней в потоке жидкости и основан на имеющихся экспериментальных данных. Приводятся оригинальные данные, которые позволяют отслеживать потерю устойчивости консольно закрепленного стержня, траекторию свободного конца стержня в осевом потоке жидкости, изменение поля скорости жидкости вблизи стержня в широком диапазоне изменения жесткости стержня, расхода и плотности жидкости, сопоставимой в некоторых проведенных экпериментах с плотностью материала стержня. Обсуждается переносимость результатов на поведение сборки стержней в осевом потоке жидкости. На приводимом рисунке показан один из примеров временной зависимости отклонений оси стержня от вертикали и поле вектора скорости жидкости вблизи свободного конца стержня.
Приводимые данные расширяют существующие представления о причинах возбуждения вибрации цилиндрических тел в осевом потоке жидкости и уточняют имеющиеся физико – математические и расчетные модели колебаний стержней при их обтекании жидкостью.
1. Pribaturin N.A., Lobanov P.D., Shchepikhin I.V., Meledin V.G., Svetonosov A.I. Experimental investigation of rod vibrations in longitudinal fluid flow // Thermophysics and Aeromechanics. 2021. Т. 28. № 5. С. 661-668
