第11卷第4期中国水运V ol.11N o.42011年4月Chi na W at er Trans port A pri l 2011收稿日期：3作者简介：韩韶英（5），女，青岛市人，中国海洋大学工程学院，硕士生。

圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施韩韶英（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）摘要：圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施主要包括开孔管套、丝网、轴向棒条和轴向板条，由此演变出的相应装置在工程实践中有所应用，但目前尚未完全了解其作用机理。

本文总结评述各种全向裹覆减阻减振措施和研究成果，可为相关研究工作和工程实践提供参考。

关键词：全向裹覆；减阻；减振；开孔管套；丝网；轴向棒条；轴向板条中图分类号：TU 431文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）04-0146-05一、引言研究圆柱绕流的物理特性，寻求有效的涡激振动控制方法，减小结构所受的振动和阻力具有重要的意义。

20世纪60年代，一些学者提出了“卷吸层”（E nt rain men t Layer ）和“汇流点”（Con flu en ce Poin t ）的概念[1，2]，用以解释涡脱落机理和相关的现象，提出了一些影响卷吸层的裹覆类减阻减振方法，本文就其中的全向性方法（开孔管套、丝网、轴向棒条、轴向板条）的研究成果进行回顾和评述，以便为今后的研究工作和工程实践提供参考。

二、减阻减振被动控制措施1．旋涡形成脱落机理Gerra rd[3]阐述了旋涡形成脱落机理。

他认为，上面的旋涡在它所在一侧剪切层的涡量供应下，涡量强度不断增长，拖曳对面的剪切层穿过尾迹，这些被拖曳的剪切层携带着具有反方向涡量的流体，切断了上面旋涡的涡量供应，最终导致了旋涡的脱落。

接下来，下面的旋涡成长充分之后，将会拖曳上面的剪切层携带着具有反方向涡量的流体穿过尾迹，从而造成下面旋涡脱落到下游。

这个过程不断重复造成旋涡交替脱落，在圆柱下游形成了涡街。

涡的形成和脱落有两个重要因素：（1）剪切层必须卷起，形成具有充分强度的旋涡；（2）剪切层之间的相互作用。

因此，破坏这两个因素中的任意一个因素，都有可能达到抑制涡激振动的目的。

另外，除剪切层提供的有旋流体之外，其中的卷吸层对于无旋流体的挟带输送效应对于旋涡的成长也是必需的[4]。

而汇流点（图1标示圆柱体两侧的卷吸层相遇和相互作用的区域）从尾流轴线的一侧移动到另一侧与涡脱落有关[4]。

上述原理如图1所示。

2．减阻减振被动控制方法为有效降低绕流阻力及振动所造成的破坏，避免涡激振动的产生，各国学者进行了大量研究[5，6]。

人们提出很多减阻减振及涡激振动抑制方法，主要分为主动控制和被动控制两种，主动控制方法目前尚处于理论研究阶段[3]。

被动控制直接改变结构表面形状或者附加额外的装置以改变绕流场，从而控制旋涡的形成和发展过程，抑制涡脱落。

与主动控制相比，被动控制装置设计简单、易于制作、安装，维护成本较低，因此得到了广泛应用。

a 、b 表示流体的挟带输送，c 为分离剪切层卷起形成的逆流。

图1原理示意图图2全向裹覆减租减振方法示意图Zd ravk ovich [2]将被动控制方法分为三类：（1）表面突起，影响分离线或分离剪切层，如螺纹、线条、翼片、螺栓和半球面等；（2）裹覆，影响卷吸层，如穿孔、丝网、控制杆和轴向板条等；（3）近尾流稳定器，阻止卷吸层的相互作用，如飘带、整流罩、分隔板、导向翼、底排和狭缝等。

前两类方法中大部分具有全向性，如螺纹、线条和裹覆等，它们对于各种来流方向都有效；第一类中的部分和所有第三类方法是单向性的，仅对单一来流方向有效，如翼片、部分裹覆和近尾流稳定器等。

为了解决方向敏感性问题，人们将某些单向性装置安装在可自由转动的推力套环上，使其能够按2011-0-12198-第4期韩韶英：圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施147照流场情况自动调整方向，从而成为全向性装置，比如风向标型整流罩等。

但有些单向性装置很难使其具有全向性，这时全向性减阻减振装置就显示出优势，其中全向裹覆减阻减振装置对于降低圆柱所受阻力和升力效果明显。

全向裹覆减阻减振方法主要包括开孔管套、丝网、轴向板条和轴向棒条等，当它们沿圆柱周向完全裹覆时才是全向裹覆法，否则就成为单向性方法。

图2给出其中几种方法的示意图。

三、全向裹覆减阻减振方法1．圆形开孔1956年，Price[6]首次将裹覆作为涡致振动抑制方法进行研究，发现在普通圆柱外套一个同轴开孔（圆孔）管套对所有测试刚度范围的圆柱都有很好的抑振效果，刚度越高减振效果越好。

他认为这是因为流体流过开孔管套，圆柱紧邻的流体被分离成相比典型卡门涡街更高频率的无数细小旋涡，从而推迟了发生于圆柱下游几倍圆柱直径长度处由于流动周期不对称以及较小旋涡合并引起的主要涡街的形成。

开孔管套直径为1.25D（D主圆柱直径），孔隙率37%（总开孔面积与裹覆总面积的比率），开孔直径0.125D，孔平行垂直于轴线规则排列时效果较好。

Price[6]进行了1×105<Re<4.5×105范围内的风洞实验。

普通圆柱临界点发生在雷诺数为2.5×105时，伴随阻力系数降低为0.3，添加圆孔管套后阻力系数大体保持为常数0.6，减小孔径和增加间隙将引起阻力系数的增大。

开孔管套能够降低阻力这一特点非常值得注意，减阻减振方法研究至今，能同时减小阻力和振动幅度的方法也非常少见。

Price推断，阻力系数的稳定性表明在所测试的雷诺数范围内，裹覆圆柱的流动性质没有本质上的改变。

2．方形开孔1968年Walsh e[7]在英国国家物理实验室针对发电站的排气管群和海洋结构做了一些实验。

发现尽管所取的是相对来说最有效的几何参数，但是实验证明无论柱间间隙还是孔隙率其实限制的都并不严格。

尽管不同几何参数的微小差异带来迹线模式的微小不同，但是其作用机理基本相同。

Walsh e[7]进一步对超临界雷诺数范围开孔管套的几何形状和有效性进行了研究，发现方孔管套比圆孔管套效果好。

1969年Kn ell[8]测量了孔隙率为20%和36%，相应孔边长0.07D和0.05D，8×104<Re<3×106的阻力，得到基于圆柱直径的开孔管套的阻力系数为0.9，并且基本稳定，两种空隙率下几乎没有差别。

1970年Woott on和Y a tes[9]改进了测量方法，将套管所受的阻力从圆柱所受的阻力中分离出来。

管套与圆柱直径比为1.18、1.23、1.27、1.375，管套直径105m m，方孔间距10mm，相对应36%和20%的边长分别为6m m和4.47mm。

发现管套的阻力系数为0.7，圆柱阻力系数0.2（系数计算都是基于圆柱直径）。

证明开孔套管有两个功能：（a）扰乱圆柱周向与展向由于旋涡脱落引起的任何相关的不规则压力波动；（b）提供增强的气动阻尼抑制横向振动的产生。

他们得到了与Price[6]相同的结论：相比其它涡激振动抑制方法，开孔套管总体阻力较低。

1972年W和y[]研究了两根振幅比较大的柔性圆柱串联布置时方形开孔管套的有效性。

两圆柱间距D，上部1/4裹覆了方形管套。

研究发现，两圆柱均裹覆管套和上游圆柱裹覆下游圆柱不裹覆时，振动抑制效果都很差。

上游圆柱不裹覆下游圆柱裹覆时稍有改善。

3．丝网1968年Mos s[11]实验得到流致振动发生“锁定”时的约化速度（流速与固有频率和圆柱直径乘积的比值V/ND）在5左右。

1971年Zd ravkovich[12]实验发现轴向棒条涡激振动抑制措施能够引起圆柱后稳态压力分布的独特改变[13]。

为了研究观察到的这种压力分布特性是否也出现在其它裹覆涡激振动抑制措施中，同时也针对开孔管套研究约化速度都比较低的缺陷，1972年Zd ravkovich[14]对约化速度高的大振幅振动进行了研究。

实验中采用了三种孔隙率均为36%的开孔管套，孔形分为圆孔、方孔和丝网，各孔形尺寸为：圆孔直径12.70mm，方孔边长9.26mm，丝网类型100型金属丝，直径0.102m m，孔边长0.152m m。

附加不同孔形的裹覆装置后，弹簧刚度不变的情况下，较高换算速度时的振幅出现猛烈下降；相比之下，圆孔作用最小，方孔稍好，丝网作用最大。

测量了雷诺数1.26×105和1.78×105，有和没有裹覆两种情况下圆柱周围的稳态压力系数。

圆孔管套，稳态压力系数低压区起始点由90°转变为120°，低压区角宽变小，方孔管套，稳态压力系数低压区起始点在130°左右，无论是方孔还是圆孔管套基准压力系数都明显增加。

丝网裹覆的稳态压力系数曲线与上两种类似，但压力系数在100°附近随角度的增加变缓，而基准压力系数与无裹覆圆柱基本相等，没有显著增加。

雷诺数1.78×105分离点前的圆柱边界层转变为湍流，分离点从85°移动到120°，应用裹覆装置后的稳态压力系数曲线与雷诺数1.26×105时的曲线非常相似。

Zd ravkovich[14]推断圆柱后部稳态压力分布低压区角宽明显减少可以作为该涡激振动抑制措施有效的象征。

4．轴向棒条轴向棒条[15]轴线与圆柱轴线平行，由环形钢筋定位卡固定，通过逐步抽出棒条可以改变圆柱周围裹覆装置的孔隙率。

轴向棒条相比开孔管套有特殊优势，如可避免海洋环境中冰或海藻的阻塞等。

改变孔隙率大小（24%-96%）、管套与圆柱直径比（1.08、1.165、1.25、1.50）、孔隙率圆周分布（棒条数目218至4）以寻求最优几何结构。

管套与圆柱直径比为1.08时，高孔隙率（81%和91%）比低孔隙率（24%和62%）效果好，孔隙率90%效果最好，此时圆柱周围仅在±55°，±177°和180°处共5根棒条。

这种布置抑制管束流致振动非常有效[16]。

而管套与圆柱直径比为1.5时的变化趋势却完全相反，效果最差的是孔隙率62%，81%和90%时。

这样的直径比下最有效的孔隙率为24%，但依然比不上直径比1.08，5根棒条时的效果。

处于中间的直径比1.16和1.25同样具有降低孔隙率增强有效性的变化趋势。

在实验的范围内，直径比1.25时的最优孔隙率为24%和63%，直径比 1.16时为62%和81%。

水动力实验4×103<Re<1.5×104以及风洞实验Re=2×105都证明了轴向棒条的有效性。

Zdra vk ovich[15]取其中效果最好的几何尺寸（管套与圆柱直径比5，孔隙率63%）来检验不完全裹覆的有效性。

将5根棒条抽掉3根，形成°的“缺口”，alshe Cowdre1091.22190148中国水运第11卷结果发现，当缺口面对上游或者在侧边有效性都不会明显降低，一旦“缺口”面对近尾流区，有效性就大大降低了。