具体描述
This graduate-level text presents a synthesis of research and experience from disparate fields to form guidelines for dealing with vibration phenomena of many different origins. It is particularly geared toward assessing sources of excitation in a flow system, identifying the actual danger spots, and finding appropriate cures. 1994 edition.
《流致振动：理论、现象与工程应用》 导言：探寻流体动力学与结构动力学交织的复杂领域 流致振动（Flow-Induced Vibrations, FIV）是流体力学、固体力学与振动学交叉领域中的一个核心课题。本专著深入剖析了流体作用于结构物时所引发的各种振动现象、背后的物理机制及其在工程实践中的深远影响。不同于仅仅描述单一的流固耦合问题，本书旨在构建一个全面的理论框架，涵盖从基础的流体力学原理到复杂的非线性动力学响应分析，最终落脚于实际工程中的预测、控制与缓解策略。 本书的结构设计，旨在引导读者循序渐进地掌握该领域的核心知识。我们首先从流体力学的基本概念入手，重点回顾边界层理论、尾流动力学以及不同几何形状物体周围的流场特性，为理解后续的力耦合机制奠定坚实的数学和物理基础。 第一部分：流致振动的基本机制与分类 本部分是理解FIV现象的基石。我们将详细探讨导致结构物发生振动的几种主要机制： 一、涡激振动（Vortex-Induced Vibrations, VIV）： VIV是FIV中最常见且研究最为透彻的现象之一。本书将详尽阐述卡门涡街的形成过程、涡脱落频率（Strouhal数）与流速的关系。我们不仅分析圆柱体在亚临界和超临界雷诺数下的经典响应，还将扩展讨论非圆形截面（如方柱、椭圆柱）的VIV特性。重点在于，我们将分析结构物运动反馈对流场的影响，即所谓的“锁定区”现象，以及高自由度结构（如柔性管道）在三维流场中的复杂振动模式。 二、颤振（Flutter）： 颤振是一种由气动弹性不稳定引起的自激振动，通常发生在流速达到某一临界值时。本书将基于气动弹性理论，详细推导和分析翼型和桥梁结构中的经典双自由度或三自由度气动弹性模型。通过对阻尼、刚度和气动刚度的相互作用进行深入分析，揭示颤振的发生条件（临界马赫数或临界风速），并探讨结构阻尼和非线性效应在抑制或加速颤振中的作用。 三、振动失稳（Divergence）与气动弹性扭转： 虽然振动失稳本质上是静力学失稳，但它常与振动现象一同出现在气动弹性分析中。我们将区别讨论结构刚度耗散与气动刚度增加之间的平衡点，尤其关注大跨度结构（如悬索桥）在强风作用下的扭转模式。 四、抖振（Galloping）与涡振的区分： 抖振是一种与涡脱落频率无关的低频、高幅度的自激振动。本书将重点介绍其与VIV的本质区别，即抖振主要依赖于迎角变化引起的非对称升力变化。我们将分析具有负升力导数特征的截面（如矩形截面）在不同攻角下的稳定性判据。 第二部分：数学建模与数值模拟方法 为了准确预测和分析FIV，强大的数学工具必不可少。本部分将聚焦于理论建模和先进的计算方法： 一、流体动力学建模： 我们将回顾Navier-Stokes方程，并介绍用于处理复杂边界条件的求解技术。对于低雷诺数问题，直接数值模拟（DNS）是核心；而对于高雷诺数应用，大涡模拟（LES）和雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型的应用及其在FIV预测中的局限性将得到详细讨论。特别关注如何将流体载荷精确地转化为作用于结构的集中力或分布力。 二、结构动力学与耦合分析： 结构部分的建模将涵盖欧拉-伯努利梁理论、欧拉-欧拉梁理论以及更复杂的有限元方法。在流固耦合方面，本书将区分“单向耦合”（流体驱动结构运动）和“双向耦合”（结构运动反馈影响流场）。重点介绍流体边界条件随结构位移变化的参数化方法，以及在频域和时域中进行耦合分析的技术。 三、非线性动力学分析： 许多FIV现象，如锁定、高幅值VIV以及颤振的后失稳行为，都具有显著的非线性特征。我们将引入庞加莱截面、分岔理论以及包络线方法，用于分析系统在非线性状态下的周期解、准周期解乃至混沌行为。 第三部分：工程应用与缓解技术 理论和模型的最终价值体现在对实际工程问题的指导上。本部分将聚焦于关键工程结构中的FIV挑战及解决方案： 一、海洋工程中的挑战： 深海立管、系泊缆索、波浪能转换装置等是FIV的典型受体。我们将分析海洋工程中特有的双向流（如海流和波浪共同作用）对立管VIV的影响。重点探讨在复杂海况下，如何通过水动力系数的动态计算来评估疲劳损伤风险。 二、土木工程中的应用： 桥梁、烟囱、输电线及高层建筑是主要的风致振动对象。对于悬索桥，本书将结合风洞试验数据，深入分析非定常风荷载对桥梁气动弹性的作用机制，以及如何通过结构阻尼器或导流板等被动控制措施来提高结构的安全性。 三、FIV的缓解与控制策略： 结构控制是FIV研究的核心目标之一。我们将分类介绍多种抑制技术： 1. 被动控制： 导流罩、螺旋状附着物（如螺旋槽）、阻尼涂层或增大结构刚度的设计。 2. 主动控制： 使用传感器和执行器（如磁流变阻尼器）进行实时反馈控制，以削弱共振响应。 3. 半主动控制： 结构参数可调的系统（如可变刚度系统）在不同工况下的响应优化。 结论与展望 本书最后总结了当前FIV研究的前沿方向，包括微流体中的流致振动、复杂生物流体环境下的动力学问题，以及利用机器学习和数据驱动模型辅助FIV预测的潜力。通过全面、深入的论述，本书旨在为从事结构动力学、空气动力学、海洋工程及机械工程的研究人员、工程师和高年级学生提供一个系统而权威的参考资源。掌握这些知识，将能有效应对现代工程结构在流体作用下所面临的严峻挑战。
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