[科普中国]-诱导振动

诱导振动是指流体垂直于圆柱体轴线流过时，由于各种原因引起圆柱体在与流体流动万向垂直的横向振动。

定义诱导振动是指流体垂直于圆柱体轴线流过时，由于各种原因引起圆柱体在与流体流动万向垂直的横向振动。

诱导振动诱发机理研究多柱体绕流广泛存在于自然界和工程应用之中，迫切需要加以研究认识。与涡致振动仅在有限风速范围内(共振点附近)出现大幅振动不同，诱导振动在锁频区域外的高折减速度下仍然会出现结构大幅振动现象。在低质量阻尼比状态下, 这种振动形式的折减速度上界似乎并不存在, 导致耦合系统出现‘无限WIV’现象。部分学者认为该现象的许多特征与非流线型结构的横风驰振现象类似，因而将其定义为尾流驰振（wake-induced galloping）。

研究结果表明，亚临界Re下结构在一定风速下仍然会出现大幅振动，并伴随着旋涡脱落现象。这主要是由系统的一个最不稳定模态分支，在流固耦合效应作用下发生失稳所致。该不稳定模态在低折减速度下表征为结构模态，而在高折减速度下却转变为流动模态。这种‘模态转换’现象最终导致结构振动频率在失稳区域内出现了频率转换，即随着折减速度U*增大，振动频率由跟随结构固有频率逐渐转换至跟随流动特征频率上（斯特劳哈尔频率）。此外，线性动力学分析还表明，当质量比小于某一临界质量比时，该不稳定模态的失稳上界趋近于U*→∞，导致结构在远离共振区的高折减速度下仍然会出现大幅振动，即‘无穷WIV’现象。线性动力学模型分析的失稳边界与CFD/CSD仿真结果完全一致，且结构振动频率与失稳模态的特征频率吻合，证明了线性模型分析结果的正确性，说明诱导振动本质上是由耦合系统线性动力学失稳所致。为超临界雷诺数下的尾流诱导振动研究奠定了基础，并对更好地理解高雷诺数下的尾流驰振现象具有启示意义。1

诱导振动破坏分析诱导振动严重时将导致设备的失效和破坏。例如塔设备受到风载荷作用以及管壳式换热器壳程中流体横向流动时，在流体受阻的背向侧产生周期性的旋涡（“卡曼涡街”），当旋涡发生的频率等于圆柱体某一振型的自振频率时就会产生诱导振动。随着设备的大型化及尽量增大壳程流速，诱发管壳式换热器振动的可能性也增大，其原因除了“卡曼涡街”外，还有紊流抖振、声振动、流体自激振动和射流转换等。2

诱导振动危害及后果在一般情况下，纵向流诱振引起的振幅小，危害性不大，往往可以忽略。只有当流速远远高于正常流速时，才需要考虑纵向流诱振的影响。但横向流诱振则不同，即使在正常的流速下，也会引起很大的振幅，使换热器产生振动而破坏。

造成的后果有：（1)管子因与相邻部件撞击而磨损、开裂或切断；（2)管子疲劳破坏；（3)管子与管板连接处产生泄漏；（4)壳程空间发出强烈的噪声：（5)壳程压力降大大增加。2

防振措施在圆柱体的圆周上及轴向设置金厉条，是抑制或削弱周期性旋涡的有效措施。换热器的防振措施还有改变壳程流速，设置防冲档板，通过改变管子跨距、材料以及在管子间隙处增加插入物来改变管子频率。3

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学