北京化工大学：《过程设备设计》课程教学资源（课件讲稿）第七章 塔设备 7.6 塔设备的振动

过程设备设计 7.6塔设备的振动 教学重点： 风的诱导振动。 教学难点： 风的诱导振动。 3

过程设备设计 教学重点： 风的诱导振动。 7.6 塔设备的振动 3 教学难点： 风的诱导振动

过程设备设计 7.6塔设备的振动 安装于室外的塔设备，在风力的作用下，产生两个 方向的振动。 (1)顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向； (2)横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向， 又称横向振动或风的诱导振动。 它对塔设备的破坏性大，所以本 章主要讨论风的诱导振动

过程设备设计 7.6 塔设备的振动 安装于室外的塔设备，在风力的作用下 ，在风力的作用下，产生两个 方向的振动。 （1）顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向 ，即振动方向沿着风的方向； （2）横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向 ，即振动方向沿着风的垂直方向， 4 又称横向振动或风的诱导振动。 它对塔设备的破坏性大，所以本 章主要讨论风的诱导振动

7.6塔设备的振动 7.6.1风的诱导振动 过程设备设计 一、 诱导振动的流体力学原理 风以一定的 速度绕流圆 柱形塔设备， 塔设备周围 的风速是变 化的 图7-82 塔周围的风速 5

B C 7.6 塔设备的振动 过程设备设计 7.6.1 风的诱导振动 一、诱导振动的流体力学原理 诱导振动的流体力学原理 风以一定的 速度绕流圆 柱形塔设备， 塔设备周围 5 A B D C 塔设备周围 的风速是变 化的 图7-82 塔周围的风速

7.6塔设备的振动 过程设备设计 塔设备周围的风压变 化，正好与风速相反。 风速： 风压： 迎风侧A点风速为0， A点处风压最高， 由A到B点，风速 由A向B点，风压y B点到D点，风速y B点向D点，风压 6

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 风速： 风压： 塔设备周围的风压变 化，正好与风速相反 正好与风速相反。 A B D C 6 迎风侧A点风速为0， 由A 到B点，风速 B点到D点，风速 A点处风压最高， 由A向B点，风压 B点向D点，风压

7.6塔设备的振动 过程设备设计 由于塔的表面存在边界层，层内各点的速度从壁面为零沿径 向逐渐增大，直到与边界层外的主流体的速度相同。 塔的前半周（从A点到B点） 尽管由于边界层内的粘性摩擦力使层内流速不断下降， 但由于边界层外的主流体其流速是逐步增加的，所以边 界层内的流体能从主流体获得能量而使速度不下降。 7

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 由于塔的表面存在边界层，层内各点的速度从壁面为零沿径 ，层内各点的速度从壁面为零沿径 向逐渐增大，直到与边界层外的主流体的速度相同 ，直到与边界层外的主流体的速度相同。 塔的前半周(从A点到B点)—— 7 尽管由于边界层内的粘性摩擦力使层内流速不断下降， 但由于边界层外的主流体其流速是逐步增加的，所以边 界层内的流体能从主流体获得能量而使速度不下降

7.6塔设备的振动 过程设备设计 塔后半周（从B到D点） 由于主流体本身不断减速，使边界层内流体不能从 主流体获得补充能量，因粘性摩擦力使其速度逐步 减小，结果导致边界层不断增厚，在C点处出现边 界层流体增厚并堆积，见图7-83(a)。 8

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 塔后半周(从B到D点)—— 由于主流体本身不断减速，使边界层内流体不能从 ，使边界层内流体不能从 主流体获得补充能量，因粘性摩擦力使其速度逐步 ，因粘性摩擦力使其速度逐步 减小，结果导致边界层不断增厚，在C 点处出现边 8 减小，结果导致边界层不断增厚，在C 点处出现边 界层流体增厚并堆积，见图7-83(a)

7.6塔设备的振动 过程设备设计 (a)边界层的堆积 图7-83边界层的堆积及旋涡的形成

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 (a)边界层的堆积 9 图7-83 边界层的堆积及旋涡的形成

7.6塔设备的振动 过程设备设计 卡曼旋涡(Karman Vertex) 外层主流体绕过堆积的边界层，使堆积边界层背后形 成一流体的空白区。 在逆向压强梯度作用下，流体倒流至空白区，并推开 堆积层的流体，在塔体背后产生旋涡，见图7-83b)。 (b)旋涡的形成 图7-83边界层的堆积 及旋涡的形成 10

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 卡曼旋涡(Karman Vertex)—— 外层主流体绕过堆积的边界层，使堆积边界层背后形 ，使堆积边界层背后形 成一流体的空白区。 在逆向压强梯度作用下，流体倒流至空白区 ，流体倒流至空白区，并推开 堆积层的流体，在塔体背后产生旋涡，见图7-83(b)。 10 堆积层的流体，在塔体背后产生旋涡，见图7-83(b)。 图7-83 边界层的堆积 及旋涡的形成 (b)旋涡的形成

7.6塔设备的振动 过程设备设计 旋涡特性与雷诺数的关系一 ☐Re<5一塔体后部流线是封闭形的，且塔体上、下游 的流线是对称的，边界层未发现分离现象； ☐5≤Re<40—塔体背后出现一对稳定的旋涡； 40≤Re<150—塔体背后一侧先形成一个旋涡，在它 从塔体表面脱落而向下游移动时，塔体背后另 一侧的对称位置处形成一个旋转方向相反的旋 涡。在这个旋涡脱落时，在原先的一侧又形成 一个新的旋涡，这些旋涡在尾流中有规律地交 错排列成两行，见图7-84。 此现象工程上称为卡曼涡街Karman Street) 11

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 旋涡特性与雷诺数的关系— Re＜5—— 塔体后部流线是封闭形的，且塔体上、下游 的流线是对称的，边界层未发现分离现象 ，边界层未发现分离现象； 5≤Re＜40 ——塔体背后出现一对稳定的旋涡； 40≤Re＜150 ——塔体背后一侧先形成一个旋涡，在它 11 从塔体表面脱落而向下游移动时，塔体背后另 一侧的对称位置处形成一个旋转方向相反的旋 涡。在这个旋涡脱落时 在这个旋涡脱落时，在原先的一侧又形成 ，在原先的一侧又形成 一个新的旋涡，这些旋涡在尾流中有规律地交 ，这些旋涡在尾流中有规律地交 错排列成两行，见图7-84。 此现象工程上称为卡曼涡街(Karman Street)

7.6塔设备的振动 过程设备设计 300≤R3.5×106—卡曼涡街又重新出现，称超临界区。 12

7.6 塔设备的振动 过程设备设计 300≤Re＜3×105——旋涡以一确定的频率周期性地 脱落，该范围称为亚临界区。 3×105≤Re＜3.5×106——尾流变窄，无规律且都变 ，无规律且都变 成紊流，无涡街出现。称为过渡期。 12 成紊流，无涡街出现。称为过渡期。 Re＞3.5×106——卡曼涡街又重新出现，称超临界区