基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究.pdf

第 54 卷第 7 期2023 年 7 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)Vol.54 No.7Jul.2023基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究陈文龙1，王汉封1,2，董雨珊1(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410083；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙，410083)摘要：基于Canny边缘检测算法，借助于流动可视化手段，研究大长细比双圆柱的涡激振动干扰效应。研究结果表明：当双圆柱串列布置时，下游圆柱通过干扰上游圆柱旋涡的形成与尾流运动，在量纲一下游顺流向位置X*=1.5处对上游圆柱最大振幅A*max的放大作用最大，在X*15.0处对上游圆柱的A*max无干扰效应，但上游圆柱的涡振退出风速比单圆柱的略大；上游圆柱改变了下游圆柱的来流条件，当下游圆柱在X*=2.0处时上游圆柱对其A*max的放大作用最大，且在X*=20.0处放大作用仍然存在。当双圆柱并列布置，量纲一横流向间距Y*=1.0时，双圆柱之间的干扰效应对A*max的放大作用最大，此时并列双圆柱可看作组合后的单一柱体发生大幅振动；当Y*=4.0时，双圆柱之间的干扰效应对A*max几乎无影响，但并列双圆柱的涡振锁定区间仍比单圆柱的涡振锁定区间略大。当双圆柱错列布置，下游圆柱位于1X*8且1Y*5处时，会明显抑制上游圆柱的A*max；相比而言，上游圆柱对下游圆柱A*max的干扰效应较弱，当下游圆柱在(0，1D)位置附近时具有较强的放大作用。关键词：Canny算法；双圆柱；涡激振动；干扰因子；风洞试验中图分类号：TU317.1 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）07-2799-12Experimental research on vortex-induced vibration interference effect of two circular cylinders based on Canny algorithmCHEN Wenlong1,WANG Hanfeng1,2,DONG Yushan1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Based on the Canny algorithm to edge detection and with the aid of flow visualization method,the vortex-induced vibration interference effect of two circular cylinders with large slenderness ratio was studied.The results show that when the double cylinders are arranged in tandem,by interfering with the formation of the vortex of upstream cylinder and the motion of its wake,the downstream cylinder has the greatest amplifying effect on the 收稿日期：2022 09 16；修回日期：2022 11 28基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52078505)(Project(52078505)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：王汉封，博士，教授，从事实验流体力学与流动控制研究；E-mail：DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2023.07.025引用格式：陈文龙,王汉封,董雨珊.基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究J.中南大学学报(自然科学版),2023,54(7):27992810.Citation:CHEN Wenlong,WANG Hanfeng,DONG Yushan.Experimental research on vortex-induced vibration interference effect of two circular cylinders based on Canny algorithmJ.Journal of Central South University(Science and Technology),2023,54(7):27992810.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)maximum amplitude A*max of upstream cylinder in the dimensionless downstream streamwise direction position X*=1.5,and has no interference effect on the A*max of upstream cylinder at X*15.0,but the exit wind speed of vortex-induced vibration of upstream cylinder is slightly larger than that of the single cylinder.The upstream cylinder changes the incoming flow conditions of the downstream cylinder,when the downstream cylinder is when X*=2.0,the upstream cylinder has the largest amplification effect on its A*max,and the amplification effect still exists when X*=20.0.When the double cylinders are arranged side by side,the amplifying effect on the A*max is the greatest at dimensionless transverse spacing Y*=1.0,and the double cylinders can be regarded as a combined single cylinder and vibrate together with a large amplitude.The interference effect on the A*max is little when Y*=4.0,but the locking range of vortex-induced vibration of double cylinders is still slightly larger than that of the single cylinder.When the double cylinders are arranged in staggered,the A*max of upstream cylinder is obviously suppressed by the downstream cylinder located when 1X*8 and 1Y*5;and in comparison,the interference effect of the upstream cylinder on the A*max of downstream cylinder is weaker,showing a greatest amplifying effect when the downstream cylinder is near the(0,1D)position.Key words:Canny algorithm;two circular cylinders;vortex-induced vibration;interference factors;wind tunnel test烟囱、太阳能塔、全向天线、灯柱等13大长细比圆柱结构对风荷载的作用较为敏感，极易发生具有较强的流固耦合非线性特征的横风向涡激振动。由于涡振干扰效应，相比于单个柱体，双柱体的风振响应特性更复杂4，可能出现过大的振幅，严重影响结构的安全性与耐久性。目前国内外有关双圆柱干扰效应的研究大多数都集中在刚性双圆柱绕流流态划分58及气动力特性(平均压力系数、脉动压力系数、平均升阻力系数、脉动升阻力系数、斯托罗哈数等)方面910，而涡激振动引发的气弹干扰效应比刚性干扰效应更复杂11。SU等1213研究了双烟囱气弹干扰因子随干扰距离、量纲一风速的变化规律，但其中的施扰烟囱是刚性模型。对于双气弹模型干扰效应的研究大多以二维圆柱为对象1416。由于多自由度气弹模型相比单自由度气弹模型可以更精确地反映结构的气弹效应17，且随着结构体系、建筑材料、设计和施工技术的迅猛发展，大长细比圆柱结构逐渐呈现出低阻尼、低密度、高柔度等特点，因此，亟需建立低密度、高强度的多自由度大长细比双气弹模型研究双圆柱的涡振干扰效应。对于多自由度大长细比圆柱结构，发生涡激振动时顶部位移较大，利用传统的激光位移传感器测量其振动响应，需在模型上固定较大的反光板，从而改变了模型的气动外形，无法保证测量结果的准确性，而且测量顺流向振动响应的激光位移传感器的存在会对流场产生干扰。另外，当同时测量双圆柱的振动响应尤其当双圆柱距离较近时，存在互相遮挡的问题。因此，可借助广泛应用于图像分割、运动检测、目标跟踪、人脸识别等领域的数字图像边缘检测技术进行非接触测量。几种常用的边缘检测方法包括Roberts算法、Sobel算法、Prewitt算法、高斯偏导滤波器(LOG)以及Canny算法等1819。其中，Roberts算法定位比较精确，但对于噪声比较敏感；Sobel 算法和Prewitt算法对灰度渐变低噪声的图像有较好的检测效果，但对于混合多复杂噪声的图像处理效果不理想；LOG滤波器在提高边缘定位精度和消除噪声级这两者之间存在矛盾。Canny算法20作为非微分算法，使用了高低梯度阈值来对图像的边缘特征进行检测和跟踪，在很大程度上减弱了噪声对边缘的影响，对弱边缘有更好的检测效果，是一种较优的视觉识别方法。基于Canny边缘检测算法，本文通过多自由度双圆柱气弹模型的风洞试验，借助于流动可视化手段，研究双圆柱的涡振干扰效应，得到涡振干扰因子随圆柱相对位置的变化规律，以期为相关圆柱外形的工程结构设计提供参考。1 风洞试验概况在中南大学高速铁路工程结构抗风研究所小型直流式风洞(如图1所示)中开展试验。图1中，透明玻璃部分为试验段，截面长宽高为1.2 m0.45 m0.45 m。该风洞品质良好，均匀来流条件2800第 7 期陈文龙，等：基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究下湍流度小于0.5%，风速在040 m/s范围内连续可调。1.1试验模型与工况为了模拟大长细比圆柱结构低密度、高强度的特点，制作多自由度气弹模型，通过直径为 2.5 mm的碳纤维芯梁模拟结构的刚度，通过质量可忽略不计的泡沫海绵外衣模拟结构的外形，以确保模型具有较低的质量比，如图2所示。模型 整体长度 L=300 mm，直径 D=20 mm，长细比 L/D=15。单位长度质量m=0.034 kg/m，等效质量比m*=83.9。为了减小结构阻尼，泡沫海绵外衣被切割成14块，每块之间的间隙为1 mm，最下面的泡沫海绵外衣与风洞壁面的间距为2 mm。通过模型的自由振动位移衰减曲线可得固有频率 fn=20 Hz，阻尼比=0.352%，从而可得 Scruton 数为2.91，起振风速Ucr=2.0 m/s。干扰效应主要取决于双圆柱的排列方式和来流速度。双圆柱相对位置与坐标(X*，Y*)通过圆柱直径D量纲一化，如图3所示。将其中一根圆柱固定在坐标(0，0)处(绝对坐标为试验段顺风向25D、横风向距离风洞侧壁8.75D处)，另一根圆柱的位置变换范围为顺风向X*=120，横风向Y*=15，包括串列、并列、错列3种排列方式。来流风速U=1.013.0 m/s，对应的折减风速 U*=U/(fnD)=2.532.5，雷诺数Re=1.371031.78104。通过架设在风洞顶板上的NAC高速摄像机来捕获圆柱的振动图像，频率为1 000帧/s，即1个振动周期可捕获约50个图像。利用Canny边缘检测算法获取圆柱顶端的量纲一横风向振动位移s*Y=sY/D与量纲一顺风向振动位移s*X=sX/D，从而可得振幅 A*=s*Ymax(s*Xmax)与振动频率fosc。同时，通过流动可视化手段分析双圆柱的涡振干扰效应。在试验开始之前，通过眼镜蛇探针(TFI-269)对空风洞下的壁面边界层进行标定，如图4所示(其中，UX为不同高度Z处测得的顺流向风速，Iu为对应的湍流度)，可知边界层厚度1.0D，说明柱体绝大部分都处于均匀来流中。1.2Canny边缘检测算法原理Canny边缘检测算法主要包括5步(见图5)。1)图像灰度化与二值化。2)高斯滤波去噪。Canny算法采用二维零均值高斯函数，并对图像矩阵执行卷积运算，实现图像的噪声消除和平滑处理。选取的高斯函数的表图2试验示意图Fig.2Schematic diagram of the test图3试验工况Fig.3Test conditions图1小型直流式风洞Fig.1Small open-loop wind tunnel2801第 54 卷中南大学学报(自然科学版)达式为G(ij)=122e-()i2+j222(1)式中：(i，j)为图像像素点坐标；为高斯滤波器参数，用来控制图像滤波的程度。原图像f(i，j)与高斯分布函数G(i，j)卷积后得到平滑后的图像I(i，j)：I(ij)=G(ij)*f(ij)(2)3)计算I()ij梯度幅值和方向。利用差分运算求点(i，j)处的偏导数，并利用欧式距离和反正切函数求该点梯度及其方向。4)非极大值抑制。通过非极大值抑制来进行边缘细化，只保留灰度值变化最剧烈的点，消除多个边缘响应点的影响。在点(i，j)的八邻域内，在梯度方向比较相邻2个点的梯度幅值。若点(i，j)的梯度幅值大于梯度方向上相邻的2个点的梯度幅值，则将该点设为候选边界点，反之，则标记为非边界点。5)双阈值边缘检测和连接。根据人为设定的高低阈值可以将候选边界点分为3类。当边缘梯度大于高阈值Thigh时，将此候选边界点标记为强边缘点；当低阈值Tlow边缘梯度高阈值Thigh时，若该点与强边缘点连通，则归为边缘点，否则，将该点删除；当边缘梯度29时，A*才出现下降的趋势。3)当X*2.0时，不同间距比下A*max对应的U*均与单圆柱的相同，且A*max在X*=4.5处达到极小值，约为单圆柱的67%，此处的涡振锁定区间与单圆柱的相近，但A*max在2.0X*4.5范围内随着X*的增大并非逐渐减小，而是在X*=3.5处存在突变，这是上游圆柱表面分离形成的剪切层由再附于下游圆柱后缘转变为再附于下游圆柱前缘所致。4)当X*5.0时，2个圆柱将各自发生旋涡脱落，A*max比单圆柱的略大，直到X*15.0时，下游圆柱对上游圆柱最大振幅的影响可忽略不计，但其干扰效应仍然存在，这体现在其涡振锁定区间相较于单圆柱仍有所扩宽，尤其是涡振退出风速比单圆柱的略大。上游圆柱的存在改变了下游圆柱的来流条件，从而影响下游圆柱的幅值响应。图11所示为串列下游圆柱顶点横风向振幅在不同间距比下随U*的变化曲线。由图11可见：1)当X*=1.0时，下游圆柱与上游圆柱组成单个钝体结构，二者幅值响应相似，但下游圆柱的A*max比上游圆柱的略大。2)当X*=1.5时，涡振锁定区间与上游圆柱的一样，均与单圆柱的相比明显扩宽，但A*max明显比上游圆柱的小。在X*=2.0处A*max达到极大值，约为单 圆柱的1.7倍，锁定区间范围约为单圆柱的3倍。3)当2.0X*4.0时，A*max随着X*的增大逐渐减小，在X*=4.0处达到极小值，约为单圆柱的50%，且涡振锁定区间范围与单圆柱的接近。4)当X*5.0时，A*max与其对应的U*均比单圆柱的大，直到X*12.0时，A*max对应的U*与单圆柱的相同，但A*max仍是单圆柱的1.2倍，且涡振退出风速在X*=20.0处仍比单圆柱的略大，这是上游圆柱尾流涡的冲击造成的。由此可见，与下游圆柱对上游圆柱的涡振干扰相比，上游圆柱对下游圆柱的涡振干扰的影响间距范围更大。为进一步研究干扰效应，将双圆柱干扰下最(a)X*5.0；(b)X*5.0图10串列上游圆柱顶点横风向振幅Fig.10Amplitude at the top end of tandem upstream circular cylinder in the cross-wind direction(a)X*5.0；(b)X*5.0图11串列下游圆柱顶点横风向振幅Fig.11Amplitude at the top end of tandem downstream circular cylinder in the cross-wind direction2804第 7 期陈文龙，等：基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究不利响应A*max(interfered)与单圆柱最不利响应A*max(single)的 比 值 定 义 为 干 扰 因 子，即 F=A*max(interfered)/A*max(single)，F(横风向)随X*的变化如图12所示。从图12可以看出：1)在X*=1.0处涡振抑制作用最大，在X*=1.5处下游圆柱对上游圆柱A*max的放大作用最大，在X*=2.0处上游圆柱对下游圆柱A*max的放大作用最大；2)在1.5X*3.5范围内，上游圆柱对下游圆柱的A*max均表现为放大作用，而下游圆柱对上游圆柱的A*max在X*=3.0处存在突变，由放大作用转变为抑制作用；3)在4.0X*6.0范围内，下游圆柱对上游圆柱的A*max均表现为抑制作用，此后随着X*的增大表现为放大作用，直到X*15.0时，下游圆柱才对上游圆柱的A*max无干扰效应，而上游圆柱对下游圆柱的A*max在4.0X*4.5范围内表现为抑制作用，当X*5.0时，均表现为放大作用，这种放大作用在X*=20.0处仍然存在。串列双圆柱尾流场的烟线图(z/D=12)如图13所示。从图13可见：当X*=1.0时，串列双圆柱流态与单钝体结构的类似。该间距比下圆柱在U*=4.4时已发生涡激振动，在尾流区可见交替脱落的涡街，但涡量相比单圆柱较小且尾迹宽度相比单圆柱较窄，这是柱体沿来流方向的深度变大导致的。当U*=7.8时，单圆柱涡振振幅达到最大，而串列双圆柱在此风速下已退出锁定区间，保持静止，上游圆柱分离的剪切层未再附到下游圆柱上，后柱处于前柱尾流包裹中，在较远的尾流区形成随机脱落的旋涡。随着风速进一步增加，两侧剪切流从层流转变为湍流的位置与圆柱之间的距离变小。(a)X*=1.0；(b)X*=1.5；(c)X*=2.0；(d)X*=4.0；(e)X*=8.0图13串列双圆柱尾流的流动可视化Fig.13Flow visualization of two circular cylinders wakes in tandem arrangement图12不同X*下串列双圆柱干扰因子Fig.12Interference factors of two circular cylinders in tandem arrangement for different X*2805第 54 卷中南大学学报(自然科学版)当U*=4.4且X*1.5时，串列双圆柱均表现为静止圆柱绕流，其中，当X*=1.5时，上游圆柱分离的剪切层仍然没有再附到下游圆柱上，在下游圆柱后方形成涡街。在X*从2.0增加到4.0的过程中，上游圆柱分离的剪切层由再附于下游圆柱的后缘转变为再附于下游圆柱的前缘(间歇再附转变为长期再附)，上游柱尾流在下游柱前面间歇性地发生旋涡脱落，旋涡脱落仍主要发生在下游柱的后面且脱落的旋涡能量较弱。当X*=8.0时，上游柱尾流在下游柱前方已出现明显的旋涡脱落，即下游柱处于上游柱紊乱的尾流干扰中。当U*=7.8且X*1.5时，串列双圆柱均表现为大幅涡激振动。由于邻近干扰的影响，双圆柱在X*=1.52.0时的振幅比大间距工况下的大得多，尾流场由于双圆柱的大幅振动变得极为紊乱，且当风速增加到U*=11.0时，这种大幅振动仍然存在，两圆柱发生同频反向振动，形成较宽的湍流尾流。当X*=8.0时，两圆柱之间的临近干扰转变为上游圆柱对下游圆柱的尾流干扰，下游圆柱处于上游圆柱紊乱的尾流场中，故当U*=11.0时，上游圆柱停止振动，而下游圆柱仍然存在小幅振动。2.2.2并列双圆柱当双圆柱并列布置时，不同间距比下圆柱顶点横风向振幅随U*的变化曲线如图14所示。由图14可见：1)当Y*=1.0时，类似于单个柱体，迎风面增大导致起振风速增加，当达到单圆柱的涡振退出风速时，此柱体开始起振，振幅迅速增大并随着U*的增加维持在单圆柱最大振幅的7倍。2)当Y*=1.5时，临近干扰效应主要由狭道间隙流引起，两圆柱内侧流速快、压强小，外侧流速相对较慢、压强较大，内外压力差抑制了涡振振幅，A*max相比单圆柱减小了22%。在振幅上升与下降阶段，由于临近干扰效应，此间距下并列双圆柱振幅及涡振退出风速均比单圆柱的大。当Y*增大到2.5时，其A*max逐渐接近单圆柱的A*max。3)当 Y*=3.0 时，其A*max比单圆柱的大，但此间距下，圆柱的大幅振动并非持续稳定，这是由于该间距为双圆柱的尾 流涡脱从同相同步转变为反相同步的临界间距。4)当Y*=4.0时，其幅值曲线与单圆柱的类似，但涡振退出风速仍比单圆柱的略大，说明干扰效应仍然存在。干扰因子F(横风向)随Y*的变化如图15所示。从图15可以看出：干扰因子随Y*的增加先减小后增大，最后减小至1左右，趋于稳定。当Y*=1.0时，干扰因子最大，并列双圆柱合并为单一柱体，干扰效应表现为放大作用；当Y*=1.5时，干扰因子最小，由于狭道间隙流的影响，干扰效应表现为抑制作用；当Y*=3.0时，干扰因子大于1，但这种振幅放大效应不是持续稳定的；当Y*=4.0时，干扰因子接近于1，但只能说明其对最大振幅无干扰，此时，并列双圆柱的涡振区间仍略大于单圆柱的涡振区间，说明仍存在干扰效应。并列双圆柱尾流场的烟线图(z/D=12)如图16所示。由图16可见：1)当Y*=1.0时，并列双圆柱流态与单柱体结构的类似；在U*为4.4与7.8时柱体均未起振，剪切层在两柱的自由侧面分离，并且图14并列圆柱顶点横风向振幅Fig.14Amplitude at the top end of side-by-side circular cylinder in the cross-wind direction图15不同Y*下并列双圆柱干扰因子Fig.15Interference factors of two circular cylinders in side-by-side arrangement for different Y*2806第 7 期陈文龙，等：基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究在低风速下可见小旋涡脱落；当U*=11.0时，单圆柱退出涡振锁定区间，而该并列柱体已发生振动，导致尾流宽度增加且湍流度增大，在圆柱附近即发生从层流到湍流的过渡，在尾流区形成交替脱落的较大的单涡街。2)当Y*1.0时，双圆柱的涡振风速区间与单圆柱的相似，但流态随着间距的变化而变化。当Y*=2.0时，并列双圆柱流态为偏向流体模式，即2个圆柱后分别形成宽尾流和窄尾流，导致双圆柱所受阻力不同，间隙流偏向窄尾流一侧，但该流态是双稳态的，间隙流会随机转换偏转方向；当双圆柱振动时，流体与圆柱之间存在强烈的耦合作用，间隙流随双柱的振动不断发生偏转，且其偏转度较大，扰乱外侧尾流的同时也发生同向涡旋的融合；当风速进一步增加时，双柱振动停止，尾流宽度增加，阻力增大。3)当间距增大时，尾流模态进一步发生变化，流动受到调制，双稳态模式消失。Y*=3.0可认为是双圆柱尾流从同相同步到反相同步转变的临界值，即耦合涡街区，间隙流仍受到双圆柱临近干扰效应的影响，尤其是当双圆柱发生振动时，间隙流与两侧剪切流均随双柱的振动而发生扰动，在双柱附近变为紊流。需要指出的是，同相同步的尾涡模式不稳定，当Y*=4.0时，双圆柱涡脱表现为反相同步模式，流态表现出镜面对称性。当风速进一步增加时，双柱振动停止，流动变得规则。2.2.3错列双圆柱错列双圆柱是实际工程中最为普遍的布置形式。图17(a)所示为上游圆柱的顶点横风向振幅在不同错列位置的下游圆柱的干扰下随U*的变化曲线。当下游圆柱在(1，1)、(1.5，1.5)、(1.5，3.0)位置即与上游圆柱顺风向间距较小且偏并列的位置时，上游圆柱的A*max相比单圆柱减小70%，这与串列位置(1，0)类似，但错列布置对应的锁定区间范围更大；当下游圆柱在(3.0，1.5)、(4，4)、(12，2)位置时，其对上游圆柱振幅的干扰效应明显较弱。图17(b)所示为不同错列位置的下游圆柱的顶点横风向振幅在上游圆柱的干扰下随U*的变化曲线。当下游圆柱位于(1，1)、(1.5，1.5)、(1.5，3.0)、(4，4)时的A*max比单圆柱的大，这与上游圆柱的振幅响应明显不同，且下游圆柱位于(1，1)、(1.5，1.5)时的涡振退出风速明显比单圆柱的大；当下游圆柱位于(3.0，1.5)、(12，2)时的A*max则比单圆柱的小。(a)Y*=1.0；(b)Y*=2.0；(c)Y*=3.0；(d)Y*=4.0图16并列双圆柱尾流的流动可视化Fig.16Flow visualization of two circular cylinders wakes in side-by-side arrangement2807第 54 卷中南大学学报(自然科学版)位于不同错列位置的下游圆柱对上游圆柱A*max的涡振干扰因子F(横风向)如图18(a)所示。当下游圆柱位于1X*8且1Y*2时的抑制效果较弱；当下游圆柱位于(10.0，3.5)附近时，下游圆柱对上游圆柱的A*max产生放大效应，当然这种放大效应明显弱于串列位置(1.5，0)与并列位置 (0，1)的放大效应；当下游圆柱位于X*12时，其对上游圆柱的涡振干扰仅表现为微弱的抑制作用。相比而言，上游圆柱对下游圆柱A*max的干扰效应较弱，如图18(b)所示。仅当下游圆柱在并列位置(0，1)附近表现为较强的放大作用，而在串列位置1.5X*4.5及错列位置0X*3且1.5Y*2时这种放大作用较弱；当下游圆柱位于其他位置时，上游圆柱对其的干扰效应主要表现为较弱的抑制作用。错列双圆柱尾流场的烟线图(z/D=12)如图19所示。由图19可见：1)当下游圆柱在(1，1)位置时，两柱很接近，类似于单柱，但两柱之间存在的间隙流会明显干扰到尾流场。当U*=4.4时，两柱均保持静止状态，剪切层在两柱的自由侧面分离，在尾流区形成交替脱落的涡街。后柱挤压前柱的内剪切流，使其进入间隙区域中，间隙流向前柱的自由侧面偏转，在下游扰乱了前柱自由侧面的尾流场并与其混合在一起。这种情况下的流动模式主要是内侧的“间隙流动”和外侧的旋涡脱落，但与小间距并列双圆柱不同的是，间隙流的偏转角度明显较大。随着U*增大，两柱发生振动，下游圆柱的A*明显比上游圆柱的大，下游圆柱外侧尾流可见明显卷起的大尺度涡旋，且间隙流由于下游柱的大幅振动在U*=11.0时被间歇性地打断。2)当下游圆柱在(1.5，1.5)位置时，风攻角不变，两柱间距增大，狭缝效应减弱，间隙流流速减慢。间隙流仍向上游圆柱一侧偏转，上游圆柱尾流较窄，下游圆柱尾流较宽，且间隙流在下游向两侧交替卷起。当下游圆柱在(4，4)位置时，风攻角不变，两柱间距继续增大，两圆柱的尾流场基本上无干扰，具有相同的宽度。当两圆柱发生振动时，均形成了自身的旋涡脱落，与独立单圆柱的相似，从下游圆柱在U*=11.0时停止振动，同样可以看出此间距下两圆柱之间基本无涡振干扰效应，这与(1，1)、(1.5，1.5)处明显不同。(a)上游圆柱；(b)下游圆柱图17错列双圆柱顶点横风向振幅Fig.17Amplitudes at the top end of two staggered circular cylinders in the cross-wind direction(a)上游圆柱；(b)下游圆柱图18错列双圆柱干扰因子Fig.18Interference factors of two circular cylinders in staggered arrangement2808第 7 期陈文龙，等：基于Canny算法的双圆柱涡振干扰效应试验研究当下游圆柱在(1.5，3.0)位置时，错列双圆柱的尾流场与并列双圆柱的相似，但间隙流向上游圆柱一侧发生偏转，因此，上游圆柱尾流较窄，下游圆柱尾流较宽。当下游圆柱在(3.0，1.5)位置时，偏串列布置，但由于两柱之间间隙流的影响，上游圆柱尾流并未包裹或再附于下游圆柱；同样可见上游圆柱的尾流相较于下游圆柱较窄，且两圆柱在振动时均产生各自的脱落涡街，与独立圆柱的情况相似。3 结论1)当双圆柱串列布置时，下游圆柱在X*=1.5处对上游圆柱A*max的放大作用最大，约为单圆柱的2.7倍，且涡振锁定区间明显扩宽，下游圆柱在X*15.0处对上游圆柱的A*max无干扰效应，但上游圆柱的涡振退出风速仍比单圆柱的略大；当下游圆柱在X*=2.0处时，上游圆柱对其A*max的放大作用最大，约为单圆柱的1.7倍，锁定区间范围约为单圆柱的3倍，在X*=20.0处放大作用仍然存在；当X*=1.0，即两圆柱之间无缝隙时，双圆柱的涡振均受到强烈抑制，其A*max相比单圆柱减小70%。2)当双圆柱并列布置，Y*=1.0时，双圆柱可看作是单一柱体，此时，双圆柱的干扰效应对A*max的放大作用最大，可达单圆柱的7倍；Y*=4.0时的干扰因子接近于1，但并列双圆柱的涡振锁定区间仍比单圆柱的略大。3)当双圆柱错列布置，下游圆柱位于1X*8且1Y*5时，明显抑制上游圆柱的A*max；上游圆柱对下游圆柱A*max的干扰效应较弱，当下游圆柱在并列位置(0，1)附近时则表现为较强的放大作用。参考文献：1梁枢果,周颖,王磊,等.基于连续气弹模型的超高烟囱风致响应风洞试验研究J.振动与冲击,2019,38(10):149155.LIANG Shuguo,ZHOU Ying,WANG Lei,et al.Wind-位置：(a)(1，1)；(b)(1.5，1.5)；(c)(1.5，3.0)；(d)(3.0，1.5)；(e)(4，4)图19错列双圆柱尾流的流动可视化Fig.19Flow visualization of two circular cylinders wakes in staggered arrangement2809第 54 卷中南大学学报(自然科学版)induced responses of a high chimney by the wind tunnel tests with a continuous aero-elastic modelJ.Journal of Vibration and Shock,2019,38(10):149155.2李寿英,孙北松,刘敏.太阳能塔气弹模型结构优化研究J.武汉科技大学学报,2020,43(5):377383.LI Shouying,SUN Beisong,LIU Min.Structural optimization of the solar tower aero-elastic modelJ.Journal of Wuhan University of Science and Technology,2020,43(5):377383.3周旭辉,韩艳,颜虎斌,等.基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究J.中国公路学报,2021,34(6):4856.ZHOU Xuhui,HAN Yan,YAN Hubin,et al.Vortex-induced vibration of circular lamppost with variable section and its influencing factors based on wind tunnel testsJ.China Journal of Highway and Transport,2021,34(6):4856.4谢壮宁,顾明.任意排列双柱体的风致干扰效应J.土木工程学报,2005,38(10):3238.XIE Zhuangning,GU Ming.Wind-induced interference effects between two arbitrarily arranged prismsJ.China Civil Engineering Journal,2005,38(10):3238.5ZDRAVKOVICH M M.The effects of interference between circular cylinders in cross flowJ.Journal of Fluids and Structures,1987,1(2):239261.6SUMNER D,WONG S S T,PRICE S J,et al.Fluid 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