Каталог :: Физика

Курсовая: Определение нагрузок на цилиндрические конструкции в потоке

Цилиндрические конструкции подверженные ветровым нагрузкам колеблются  в
поперечном направлении (перпендикулярно направлению ветра) из-за образования
вихрей на боковых к ветру сторонах. Результатом является образование вихревой
дорожки называемой дорожкой Кармана. В определенном диапазоне скоростей ветра
и диаметров поперечного сечения цилиндрических конструкций образование и сход
вихрей происходят с постоянным периодом по времени, следовательно на
конструкцию действует периодическая возбуждающая колебания сила. Когда
частота схода вихрей приближается к одной из собственных частот конструкции
возникают резонансные колебания. Из за изменения скорости ветра и
возникновения порывов ветра появляются колебания по направлению ветра но
основной интерес представляют именно поперечные к ветры колебания. Амплитуда
резонансных колебаний будет возрастать до тех пор пока энергия, рассеиваемая
в результате демпфирования не будет равна энергии поставляемой потоком
воздуха. Таким образом конструкции обладающие слабым демпфированием в большей
степени подвержены данному эффекту.
Процесс образования вихрей на боковых по ветру поверхностях цилиндрических
конструкций зависит от чисел Рейнольдса Re. При очень малых числах Рейнольдса
течение в непосредственной близости к поверхности цилиндра будет мало
отличаться от идеального течения и образования вихрей не будет. При несколько
больших значениях (до Re = 40) течение отрывается от поверхности и образует
два симметричных вихря. Выше Re = 40 симметрия вихрей разрушается и
происходит зарождение асимметрического схода вихрей с противоположных сторон.
Диапазон от Re = 150 до 300 является переходным, в нем течение меняется  от
ламинарного к турбулентному в области свободных вихрей сорвавшихся с
поверхности цилиндрической конструкции. В этом диапазоне вихревой след
периодичен, но скорость вблизи поверхности меняется не периодично из-за
турбулентности течения. Апериодичность изменения скорости аргументируется
турбулентностью природного ветра. Результатом таких флуктуаций является то,
что амплитуды подъемной или боковой силы являются в некоторой степени
случайными, эта случайность становится более выраженной с увеличением числа
Рейнольдса.
Периодичность вихревого следа характерна для диапазона от Re = 40 до 3*105
. При больших числах Рейнольдса течение в пограничном слое на передней к ветру
поверхности изменяется от ламинарного к турбулентному и точка отрыва вихрей
смещается назад по потоку. В результате резко падает коэффициент лобового
сопротивления и след становится более узким и, вероятно, апериодичным.
Следовательно частота схода вихрей и амплитуда подъемной силы становятся
случайными.
Частота, с которой вихри отделяются от поверхности цилиндрической
конструкции, обычно характеризуется безразмерной величиной называемой числом
Струхаля Sh:
                      
где n – частота отделения вихрей, d – характерный размер, V – скорость ветра.
Когда сход вихрей является периодичным, n – частота этого схода, если же сход
является случайным необходимо говорить об энергетическом спектре, а не об
одной частоте.
Спектральная плотность боковой силы (цилиндр). Нормализованная спектральная
плотность подъемной силы
                    
по аргументу ; 
     
Если использовать Кармановскую спектральную плотность и потребовать
выполнения условия =Ёормировки , то
 EMBED Eqation.3  
                    
                      
     n – частота на графиках в герцах.
      для больших чисел Re (по Фыну).
В связи с тем, что  
задается по частоте в [Гц], в выражении  
после определения передаточной функции нужно перейти к частоте в [Гц]; в формулу
входит  .
     Основные допущения и уравнение поперечных колебаний прямого стержня. При
выводе уравнений поперечного колебания мы будем предполагать, что в
недеформированном состоянии упругая ось стержня прямолинейна и совпадает с
линией центров тяжести поперечных сечений стержня. Эту прямолинейную ось мы
примем за координатную ось z и от нее будем отсчитывать отклонения элементов
стержня при поперечных колебаниях. При этом будем считать, что отклонение
отдельных точек оси стержня происходят перпендикулярно к прямолинейному,
недеформированному ее направлению, пренебрегая смещениями этих точек,
параллельными оси.
Далее, мы предполагаем, что отклонения точек оси стержня при поперечных
колебаниях происходят в одной плоскости и являются малыми отклонениями в том
смысле, что возникающие при этом восстанавливающие силы остаются в пределах
пропорциональности.
При таких предположениях отклонения точек оси стержня при поперечных
колебаниях однозначно определяются одной функцией двух переменных –
координаты z и времени t:
          .          
Эта функция удовлетворяет линейному дифференциальному уравнению в частных
производных четвертого порядка, которое может быть построено следующим
образом.
Обозначим через m(z) массу единицы длины стержня (кг*сек2/см2
), через EJ – жесткость на прогиб [ E (кг/см2) – модуль упругости, J
(см4) – момент инерции поперечного сечения стержня относительно
поперечной оси. На стержень действует распределенная поперечная нагрузка,
интенсивность которой мы обозначим через 
.
Кинетическая энергия колеблющегося стержня есть кинетическая энергия
поперечных смещений элементов стержня
          .          
Потенциальная энергия равна сумме двух слагаемых:
а) потенциальной энергии упругой деформации (работа восстанавливающих упругих
сил)
          ;          
б) потенциальная энергия прогиба от поперечной нагрузки 
          .          
            Функционал S Остроградского – Гамильтона имеет здесь вид            
                    
Уравнение поперечных колебаний стержня мы получим, составив для функционала S
уравнение Эйлера:
                                        .                                        
                    
Решение задачи о свободных колебаниях консольно защемленной балки
                    
с граничными условиями
при z = 0:
                      
                              консольное защемление                              
при :
                    
          отсутствие перерезывающих сил и моментов на свободном конце;          
будет иметь  вид:
                    
     - для первого тона.
                                                                              (1)
примем                                         (Метод Бубнова-Галеркина)
     
     
     
     
     
Тогда:     где - собственная частота I-ого тона.
Здесь нет демпфирования, введем искусственно конструкционное демпфирование
(как логарифмический декремент, равен 0,005).
     
     
     
                                                 - случайная функция
     
     
                        
В выражении  величину 
     ;
     
               
     
     
Интегрирование от 0 до 100
В величину  частота входит в герцах, поэтому
     
     
Веса единицы объема кожуха(сталь)  и футеровки 
Средняя площадь футеровки  и кожуха тубы 
Погонная масса трубы 
Аппроксимация формы   при  , , тогда  ;
     
     
Тогда 
     
     
     
Независимость q от нормировки f(z) связана с тем, что линейное
дифференциальное уравнение для q зависит от правой части, знаменатель зависит
от второй степени, а числитель от первой степени f(z), т.е.
       (чем больше f(l), тем меньше q при  )
     
     
     
     
Тогда 
Уравнение для q будет иметь вид: