如何识别泄流管振动类型？

对于流体诱发结构振动的诱因，许多学者根据其内在机理作了相应的分类，其中有代表性的有美国的Blevins、加拿大的Weaver以及德国的Naudascher。

图6.1　Blevins对流体诱发振动的分类

（1）美国Blevins[1]按流动和工程结构的性质，将流体诱发振动分成稳定流动和非稳定流动两大类，又按诱发振动原因分成若干种类振动形式，如图6.1所示。这一分类模式实际上是对流体诱发结构振动的高度概括。也正是因为如此，不可能对具体问题的激励机理进行详细阐述，特别对于水流诱发水工结构振动问题涉及不多。事实上，水流与结构的耦联振动是流体诱发振动这一学科的重要分支，其问题远比风致振动甚至比海洋工程结构的振动更加复杂。

（2）加拿大Weaver[2]按振动的特征将流体诱发振动分成三类：

1）水流引起的强迫振动。这种振动通常是随机的，结构运动一般对流体作用力不产生明显的影响。

2）自控振动。在这一类问题中，水流存在某种周期数，如果此周期数与结构的某个自然频率一致，则构成初始振幅，直到流体作用力的大小和周期被结构运动所控制而产生一种反馈机理为止。

3）自激振动。结构物的振动导致周期性的作用力，此作用力又加大了结构物的运动。这类振动和自控振动的区别在于，当结构物运动不存在时，周期的作用力也消失。

（3）德国Naudascher[3]按诱发振动的主要激励机理将水流诱发振动问题分为四类，如图6.2所示。

图6.2　基本的激励机理

1）外部诱发激励（EIE，Extraneously-Induced Excitation）。外部诱发激励是由水流脉动及压力脉动引起的，这种脉动本身不是振动系统的固有部分（如图6.2中的圆柱形建筑物和泄水闸门），振动分别是由迎面而来的射流和淹没漩滚产生的紊动引起的，这类激励的激励力的出现不是随机的。此类激励的例子可见于由柱形建筑物下散的间歇涡引起的振动。分析这类振动的理论比较成熟，即用谱分析的方法，由传递函数把诱发力的谱与结构的响应谱联系起来。(www.xing528.com)

2）不稳定诱发激励（IIE，Instability-Induced Excitation）。不稳定诱发激励是由水流的不稳定性和反馈机制产生的诱发力造成的。在大多数情况下，这种不稳定性是振动系统所固有的部分，即流动的不稳定性与结构本身有不可分割的联系。如图6.2所示的由柱形结构散发的交变漩涡和闸下剪切层的交替重附现象。就结构振动的激励而言，不稳定流的主要特点是它具有不时从主流传递能力的作用。由于不稳定诱发脉动力的部分IIE激励模式如图6.3所示。

3）运动诱发激励（MIE，Movement-Induced Excitation）。运动诱发激励是由振动系统中的建筑物或物体的运动所产生的诱发力造成的。在这种情况下，诱发力和振动物体的自振频率必然是处于共振状态之中。同时，这种所谓自我激发的振动，其振幅会越来越大，一直到水流向振动体传递的能量和克服阻尼消耗的功相等为止。这类振动和物体共振反馈的不稳定振动之间并不存在明显的界限。在后者的情况下，响应和诱发之间的耦联趋向于控制诱发的频率，使其与振动物体的自振频率在接近共振的范围内同步。如图6.2中的方形柱体及止水橡皮受到某一横向振荡扰动力的作用，受扰水流就会导发使扰动加强的力。此力相当于使能量从主流传向振动物体的负阻尼力，为维持不稳定激励提供了能源，因此，由运动激励引起的结构振动是一种自激振动。由运动诱发脉动力的部分MIE激励模式如图6.4所示。

图6.3　不稳定诱发脉动力的部分IIE激励模式

图6.4　运动诱发脉动力的部分MIE激励模式

4）共振流体振子诱发激励（RFO，Resonance of Fluid Oscillator）。RFO起因于以其固有模态之一振动的流体振子。例如流体振子可能由长闸墩和引水槽壁间产生的重力驻波构成，或由封闭在隧洞闸门上下游竖井中的水质量构成。由于流体振子是被动的，它需要水流脉冲激励。然而一旦它们处于运动状态，就可以在其附近的结构上诱发较大的脉冲力。实际上RFO与IIE中流体共振性质的反馈一致，而RFO可存在于EIE、IIE、MIE任何一种情况之中，由共振流体振子诱发脉动力的部分模式如图6.5所示。

图6.5　共振流体振子诱发脉动力的部分模式

（4）谢省宗等从工程应用的角度出发将水流诱发振动分为：紊流诱发振动、自激振动、涡激振动以及水力共振四类。

上述所列各种水流诱发振动的激励机理是对这一问题的一般性阐述。事实上，对于某一具体工程来说，其诱发振动的因素可以是一种机制起作用，也可以多种机制组合。尽管各研究者分析问题的角度不同，却有异曲同工之处。从系统性及深度与广度来看，Naudascher的分类模式更全面。总之，掌握流激振动的激励机理对解决实际问题是至关重要的，因为不同性质的激励力会使工程结构产生不同性质的振动，研究不同性质的振动也将采用不同的理论。