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[多波束测深仪] 一起摇摆~~

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发表于 2015-7-8 15:27:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
不严肃的题记
用浅水多波束和相干声呐条带测深系统的朋友们,你们还在玩儿侧挂么?
让我听到你们热情的呼喊声~~
让我们一起摇摆!!!


以下是严肃滴正文
针对近岸浅水区域使用的专业测量艇这种高大上的东东我相信国内还没几家玩儿得起,多数情况下是租用当地渔船来实施调查项目,所以临时使用的侧挂式安装就成了最符合现场条件的选择
侧挂安装01.png



But!
最符合现场条件的选择有时候也是一种无奈的选择,因为这并非是最好的选择……


Why?
因为杆子会摇摆……


这是为什么呢?


因为流体流近竖直放置的钢管时压力升高,促使水质点在钢管前缘逐渐形成附面层并向两侧发展,在流体粘性较低(高雷诺数)的情况下,附面层在管壁截面最宽处附近脱离,尾流在钢管背流面形成一个规则的漩涡形流,出现周期性发放的涡街(Vortex street)。
涡街01.gif

恒定流速下孤立柱体背流侧形成的涡街



涡街生成的最小间距.gif

形成涡街的最小边壁距离——约0.25倍管径



这种漩涡流动作用于钢管时,会产生一个垂直于流向,大小、方向周期性变化的扰动力,当这个力的频率接近钢管的固有频率时,钢管发生共振,此时即使很小的外力,也能引发钢管的剧烈振动,这揍是著名的
“涡激振动(VIV)”。
涡激振动01.png

孤立柱体涡激振动轨迹示意图


钢管发生的横向振动对流场中涡旋和尾流有极强的整理作用,由于钢管垂直于流向发生位移,附面层与管道外表面分离处水质点的相对速度提高,且密度增大,因此涡旋增强,其尾流也同时被增强, 涡脱落频率锁定在管跨固有频率附近,即旋涡脱落频率不受外流速控制而固定在钢管固有频率附近,这种现象就称为频率锁定(lock-in)。


管子振动,水下的换能器自然会一起摇摆~~
一起摇摆.jpg






这种摆动对数据质量产生两方面影响,一方面发生高频率小振幅振动时声源和反射点的相对位置改变,海底同一个点的声信号往返时间发生变化,产生大量噪音信号,且随着发射角增大而增多;
换能器振动造成海底图像变形01.png

发生涡激振动时水深误差分布



另一方面,对于接收换能器而言,振动不仅是一种噪音,还会严重影响相位检波的精度……


这种情况下采集的数据处理出来通常是这个情(xiong)况(yang):
多波束涡激振动图像.png

侧挂安装的多波束条带测深系统连接杆发生涡激振动时的海底图像

相干声呐涡激振动图像.png

侧挂安装的相干声呐条带测深系统连接杆发生涡激振动时的海底图像



而且钢管的振幅达到一定程度后涡街会消失,钢管停止振动,但过一会儿新的涡街生成后又会开始振动,完全木有规律啊亲~~


我相信看到这种数据的时候很多攻城尸的内心是崩溃的……
崩溃了.png





那么,我们应该怎么避免这种问题的发生呢?


第一种方法:


控制速度——不要让外流速度进入能够引发钢管涡激振动的区间,涡激振动力的计算公式如下:
涡激振动力频率.png



式中的Ω就是涡激振动力的频率


钢管的固有频率计算比较复杂,有兴趣的可以查查结构动力学里的算法,这里就不做累述,以70mm外径,壁厚分别为 3.5mm 和 5.0mm 的钢管为例,不考虑轴向力的前提下,用悬挂长度和外流速度计算可得:
控制流速.png

70mm外径,壁厚分别为 3.5mm 和 5.0mm 的钢管不同悬挂长度的控制流速





这里需要注意两点:1.控制流速是钢管的对水速度,而非对地速度;2.悬挂长度是指固定点以下的自由段的长度;
                                                                                                                                                              —— 测线要来回跑……潮流速度、方向会变化……受船型限制不好上固定点……似乎都有难度啊亲~~
做不到啊.jpg



第二种方法:


避振——干掉涡街,让钢管不会受涡激振动力作用


具体方法:1.在钢管上打孔,消除管壁周围的压力差,但需要注意钢管的整体强度和孔的大小;2.安装螺旋形套管,破坏切变层,不能装太大太长的,否则水花太大产生新的噪音源。


这两个路子可以根据情况选用。


相当严肃滴参考文献:
[1] R.D.白莱文斯著,吴恕三等译,流体诱发振动 [M].机械工业出版社
[2] R.克拉夫,J.彭津著,王光远 译,结构动力学[M].高等教育出版社
[3] 蒲进菁等,涡激振动对船舷安装的相干声纳条带测深系统测量精度影响分析,《中国海洋大学学报:自然科学版》2011年 第12期 86-90页












控制流速.png
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发表于 2015-7-8 20:03:35 | 显示全部楼层
把圆管改成水滴的形状算不算第三种方案?
2018轻装而行,faster,stronger
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 楼主| 发表于 2015-7-9 08:11:29 | 显示全部楼层
Rain 发表于 2015-7-8 20:03
把圆管改成水滴的形状算不算第三种方案?

用横截面为水滴流线型的杆替代钢管存在这样一个问题,当水速存在斜向分量的时候会产生非常大的水花,所以最好还是用轴对称截面的杆。
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发表于 2015-7-9 15:10:31 | 显示全部楼层
文章真赞啊!帮汪峰上头条了。。。。
hello, july
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发表于 2015-7-9 15:31:01 | 显示全部楼层
普京 发表于 2015-7-9 08:11
用横截面为水滴流线型的杆替代钢管存在这样一个问题,当水速存在斜向分量的时候会产生非常大的水花,所以 ...

一般前后拉起来,再加上一个兜底的固定就会很牢固了,如果你在外面加个套子改变管子的形状会有兜底的效果好吗,我看不然。
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 楼主| 发表于 2015-7-9 16:36:51 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-7-9 15:31
一般前后拉起来,再加上一个兜底的固定就会很牢固了,如果你在外面加个套子改变管子的形状会有兜底的效果 ...

1.侧挂安装方式简化后就是一根悬臂梁,真正有支撑和约束作用的就是顶端的把臂,斜拉约束实际上无法改变其支撑性质;
2.涡激振动的可怕之处就在于只要频率合适(0.7~1.3倍的f1,或整数、约数倍f1),很小的应力幅值也能使结构物发生很大的振幅的振动,拉带子也好,兜底也好只是改变了杆上的轴向应力,进而改变了杆的固有频率,但依然无法避免涡激振动的发生;
3.涡激振动是以垂直流向的振动为主的,船行驶过程中对水速度的方向多数时间是向后吧,所以前后拉带对位移的限制可以说是没有直接作用的,兜底的这根绳子可以认为是柔性体吧?那么振动发生时对唯一的限制作用也是没辙了。
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发表于 2015-7-10 23:46:09 | 显示全部楼层
兜底和拉带都可以按照一类来处理吧,如果认为是柔性的,拉带和兜底都是柔性的,如果是刚性的就都是刚性的,如果拉带和兜底固定的够紧的话一般就是一个点斜拉的三点支撑,个人觉得是可以模糊的定性为刚性的,这样就缩短了悬长,改变固有频率。
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 楼主| 发表于 2015-7-11 08:04:56 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-7-10 23:46
兜底和拉带都可以按照一类来处理吧,如果认为是柔性的,拉带和兜底都是柔性的,如果是刚性的就都是刚性的, ...

这个……我们以前这样搞过,拉带和兜底拉得紧只能说情况有所改善,但效果还是不好,因为这样最多只能限制三个方向的位移。最后没办法了又在船舷上加了槽钢作衬条,相当于把悬长缩短了。
可以看看那张图,外径70mm的钢管,如果自由端的长度能控制在1m以内,发生涡激振动的控制流速就达到14 m/s,基本上就没啥问题了,但有的时候受船型限制,不好加底部固定点,所以才想到通过消除涡街来避振。
控制流速.png
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发表于 2015-7-14 19:50:49 | 显示全部楼层
普京 发表于 2015-7-11 08:04
这个……我们以前这样搞过,拉带和兜底拉得紧只能说情况有所改善,但效果还是不好,因为这样最多只能限制 ...

槽钢在加上兜底,双保险,妥妥的
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 楼主| 发表于 2015-7-16 07:25:24 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-7-14 19:50
槽钢在加上兜底,双保险,妥妥的

但是安装难度加大,出现紧急情况应对起来也会比较麻烦,缺点也是显而易见的
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