不同栅叶体型对振动的影响分析

文献[9]、[10]为比较不同栅叶的振动响应特征，对不同体型栅叶的振动响应特性进行了试验研究，并引入折合流速U r：

式中：U为来流平均流速；f为栅叶的静水频率；d为栅叶的厚度。

栅叶振动的大小用无量纲A/d度量，A为栅叶位移信号的均方根。不同栅叶体型的振动响应曲线如图13.12～图13.15所示。

图13.12　B8、C8栅叶体型对振动的响应曲线

（a）B8振动响应曲线；（b）体型C8振动响应曲线

比较栅叶B8和C8的振动响应可见，对栅叶前缘小倒角体型B8，当折合流速为3.87～4.04时，栅叶的振幅增加，折合流速的倒数与斯坦顿数（体型B8的斯坦顿数为0.24）很接近，表明在该范围内拦污栅发生了共振；共振区后，随着折合流速的增加，栅叶的振动幅值逐渐增加。对栅叶后缘小倒角体型C8，低折合流速区没有发生共振，高折合流速时振动幅值增加。体型C8和D8后缘形状相同，C8前缘为方形，D8前缘有一小倒角（10mm），体型D8存在一明显的共振区，而C8则没有共振区。因此对长宽比较大的栅叶而言，栅叶前缘形状对栅叶的振动响应特征影响甚大。当栅叶长宽比大于5时，水流在栅叶的前缘分离，并在栅叶前缘后表明再附，形成大尺度漩涡，该漩涡随后在后缘处分离形成卡门涡街。因此控制栅叶前缘水流状况可改变栅叶的振动特性。

图13.13　D8、E8、F8及G8栅叶体型对振动的响应曲线

（a）体型D8振动响应曲线；（b）体型F8振动响应曲线；（c）体型E8振动响应曲线；（d）体型G8振动响应曲线

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图13.14　S8栅叶体型对振动的响应曲线

图13.15　S8、E8栅叶体型对振动响应特性的比较

从栅叶S8、D8、F8、G8和E8的振动响应曲线可见，当栅叶前后缘有小倒角（10mm和15mm）时，栅叶在低折合流速区有一明显共振区，倒角越大，共振区的振幅值越小。当倒角长度增至30mm时，共振区消失，且大折合流速区的振动也较小，但略高于方形前后缘栅叶S8的振动响应值。随着倒角长度的进一步增加，栅叶在高流速区的振动值逐步减小。当倒角长度增至50mm时，栅叶的振动响应曲线与方形栅叶的振动响应基本一致。

Nguyen和Naudascher[11]在分析矩形剖面绕流体振动机理时，根据振动机理不同将绕流体分为以下三种类型。

（1）绕流体长宽比小于2时，绕流体振动的主要原因是尾迹涡，即卡门涡街。此时，绕流体的尾迹较宽，绕流体存在共振区，振动也比较强烈。

（2）绕流体长宽比在2～6之间，水流在前缘处分离，前缘涡冲击绕流体后缘，并在绕流体后脱落。对于这类绕流体，存在两个共振区，且振动比较强烈。

（3）前缘为流线型及长宽比大于6的绕流体，水流仅在后缘处分离脱落，其尾迹流较窄，水流的斯特劳哈数较高，绕流体的振动也较小。

图13.8所示几种拦污栅叶的振动特性具有以下几个特点。

（1）栅叶前缘形状对拦污栅的振动响应有较大的影响，说明前缘处的分离漩涡对栅叶的尾迹流有一定的影响。

（2）体型B8、C8和D8的脱落涡频率和斯坦顿数与方形前后缘栅叶S8比较接近，说明这几种栅叶的卡门涡街宽度相当。在S8、B8、C8和D8这四种体型中，振动最小的是S8，即方形前后缘栅叶，也即Nguyen和Naudascher推荐的体型。体型F8、G8和E8脱落涡的频率和斯坦顿数明显增加，且前后缘倒角越大，栅叶脱落涡的频率越高。从流动特性来看，对于接近流线型栅叶（不包括半圆形前后缘体型），水流在前缘处不易分离，流过栅叶表明后水流在后缘尖点处分离，分离点的距离是10mm。如果将分离点的距离作为特征长度计算斯坦顿数，则体型E8和G8的斯坦顿数分别是0.18和0.17，与方形前后缘栅叶体型很接近。综合分析，接近流线型栅叶的尾迹涡宽度小，同时卡门涡的强度叶较弱，因此其栅叶振动特性好。

（3）体型F8、G8、E8和S8在距后缘6cm断面上最大垂向紊动强度分别是28.67%、24.99%、16.95%和22.33%[10]，很显然，随着栅叶前后缘倒角的增大，尾迹涡的强度逐渐减弱，栅叶的振动幅值也逐渐减小。体型E8尾流的紊动强度小于方形前后缘特性S8，而其振动响应特性与S8基本相同，综合尾流特性与振动响应特性，体型E8优于体型S8。