本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和海峽兩岸商品貨物交流的不斷增強(qiáng)，能夠提供便捷交通走廊的跨海大橋，已在我國得到迅猛的發(fā)展。橋墩作為大橋的重要組成部分，其作用是將上部載荷可靠而有效地傳給橋梁基礎(chǔ)，因此，橋墩的安全與大橋的高效運(yùn)行直接相關(guān)，保護(hù)橋墩也成為維護(hù)大橋的重要環(huán)節(jié)。

類圓柱體橋墩是一種常見的大橋橋墩，其形狀比較適合海流通過，可減少對(duì)海流的阻力。然而，海流流經(jīng)橋墩時(shí)，橋墩兩側(cè)邊界層分離會(huì)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，交替性脫落的漩渦對(duì)橋墩產(chǎn)生脈動(dòng)升阻力，使橋墩產(chǎn)生所謂的渦生振蕩。這種流固耦合現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)橋墩周圍的流場產(chǎn)生影響，使船舶與橋墩相撞的事故更易發(fā)生，而且還會(huì)導(dǎo)致橋墩本身結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、斷裂以及橋墩沖刷等問題。而這恰恰不是人們所期望的。因此，有效地控制其繞流流場對(duì)橋墩防護(hù)工程具有重要的意義。

類圓柱體橋墩的主要部分是一種大尺度圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體、圓臺(tái)體、圓端體等橋墩都屬于類圓柱體橋墩。目前，對(duì)圓柱繞流流場控制的方法主要有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類控制方法。被動(dòng)式控制方法不需要向流場輸入能量，但需要附加狹縫板、肋條等其他裝置，如公開號(hào)為CN101970760A，名為“橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的防沖刷裝置”的發(fā)明專利，就公開了一種由設(shè)置在橋墩地面的防沖刷裝置、分流臺(tái)、潛水堰等構(gòu)成防沖刷的保護(hù)裝置；其中防沖刷裝置可起到防止橋墩外表面與河川流水起摩擦等作用，分流臺(tái)是河川流水迅速向橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的后方流走。

然而，這種被動(dòng)防護(hù)方式需要的勞力勞工較多，而且對(duì)外部流場的自適應(yīng)能力較弱。主動(dòng)式控制方法向流場輸入能量，對(duì)外部流場的自適應(yīng)較強(qiáng)。電磁力作為一種主動(dòng)式控制方式，其原理是在鈍體表面按照一定的方式排布電、磁極激勵(lì)板，將其置于弱電解質(zhì)(如海水)中，當(dāng)電極通電后在弱電解質(zhì)中形成電場并與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力。電磁力作用于流經(jīng)鈍體的弱電解質(zhì)流體，可以改變鈍體的繞流流場特性。由此，電磁力可以抑制鈍體繞流場的流動(dòng)分離，改變尾渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制其渦生振蕩。另外，電磁力還可以減小鈍體的阻力。由于電磁力是一種體積力，可直接向流場注入動(dòng)量，不改變流體質(zhì)量，而且具有無運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、易實(shí)現(xiàn)和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此在工程應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。另外，海洋環(huán)境中有大量的可再生清潔能源，如潮汐能、風(fēng)能、太陽能等，可為本發(fā)明中的裝置提供所需的電能，符合21世紀(jì)節(jié)能減排、綠色環(huán)保的發(fā)展宗旨，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置，該裝置可以雙向控制墩柱繞流流場，有效抑制橋墩兩側(cè)邊界層分離產(chǎn)生的尾流漩渦，進(jìn)而能夠大幅度抑制類圓柱體橋墩的渦生振蕩，同時(shí)，還具有一定的抗沖刷、抗海流沖擊力等能力。

其具體技術(shù)方案為：

一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置，包括電極1、永磁體2、磁極連接器3、電極連接器4、外殼5和電極控制器6，電極1通過磁極連接器3連接成環(huán)形，永磁體2通過電極連接器4連接成環(huán)形，電極1與永磁體2的厚度、內(nèi)外徑一致，同一環(huán)形的永磁體2中的兩個(gè)半環(huán)形永磁體2的磁極是異性相對(duì)的，且相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體2的上下極性分別異性相對(duì)，相鄰兩個(gè)電極1的極性相反，電極1外部設(shè)有外殼5，若干個(gè)環(huán)形電極1分別通過導(dǎo)線與電極控制器6連接。

進(jìn)一步，所述電極1的材質(zhì)為石墨。

進(jìn)一步，所述電極控制器6的電源是潮汐能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電的直流電源，開關(guān)SW1和SW2聯(lián)動(dòng)，且同時(shí)處于正轉(zhuǎn)或者是反轉(zhuǎn)，SW1和SW2與正轉(zhuǎn)導(dǎo)通時(shí)，反轉(zhuǎn)截止，電流從V+-SW1-激勵(lì)板-SW2-V-形成回路，電流正轉(zhuǎn)；SW1和SW2與反轉(zhuǎn)導(dǎo)通時(shí)，正轉(zhuǎn)截止，電流從V—-SW2-激勵(lì)板-SW1-V+形成回路，電流反轉(zhuǎn)。當(dāng)SW1和SW2置于斷時(shí)，無閉合回路，電流為零，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的雙向控制，當(dāng)海水逆流時(shí)也能發(fā)揮正向的電磁力控制作用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的電磁極排布方式可提供穩(wěn)定的流向電磁力，流向電磁力可以減小圓柱體邊界層的厚度，增加表面摩擦力和推力，抑制圓柱體結(jié)構(gòu)繞流場的流動(dòng)分離，使其流動(dòng)分離點(diǎn)后移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了海流作用下類圓柱體橋墩的減振目的。

(2)本發(fā)明的電磁極產(chǎn)生的電磁力可改變橋墩的尾流渦街的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而尾流漩渦是產(chǎn)生橋墩局部沖刷的誘因之一，因此有一定的抗沖刷能力。

(3)本發(fā)明的電磁級(jí)產(chǎn)生的電磁力可減小流動(dòng)阻力，有一定的抗海流沖擊力的能力。

(4)本發(fā)明的電極極性可變，進(jìn)而對(duì)不同海流方向的海流作用有很好的適應(yīng)性。

(5)本發(fā)明裝置易裝易拆，便于維護(hù)修繕。

(6)本發(fā)明利用的電能來自潮汐能、風(fēng)能、太陽能等可再生清潔能源，綠色環(huán)保，節(jié)能減排。

附圖說明

圖1為一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置中磁體與電極的局部示意圖，其中圖2a為電極的截面圖，圖2b為永磁體的截面圖，圖2c為用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置的截面圖；

圖3為一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置的電極控制器的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

如圖1所示，一種用于跨海大橋類圓柱體橋墩的電磁減振裝置，包括電極1、永磁體2、磁極連接器3、電極連接器4、外殼5和電極控制器6，電極1通過磁極連接器3連接成環(huán)形，永磁體2通過電極連接器4連接成環(huán)形，電極1和永磁體2的數(shù)量根據(jù)實(shí)際使用情況決定。電極1與永磁體2的厚度、內(nèi)外徑一致，且兩者的內(nèi)徑與所保護(hù)的橋墩外徑一致。電極1和永磁體2均沿流向安裝，并沿發(fā)向依次間隔排布在橋墩上。同一環(huán)形的永磁體2中的兩個(gè)半環(huán)形永磁體2的磁極是異性相對(duì)的，且相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體2的上下極性分別異性相對(duì)，相鄰兩個(gè)電極1的極性相反，當(dāng)電極通電后，在海水(弱電解質(zhì))中會(huì)形成電場和磁場。環(huán)形電極1和環(huán)形永磁體2沿法向依次交替安裝于橋墩上，由右手定則可知電場與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生的流向電磁力，并在電磁極交替處最大。流向電磁力可以改變橋墩繞流場的邊界層結(jié)構(gòu)，抑制橋墩體壁面處的流動(dòng)分離。同時(shí)，電磁力作用下，壓差阻力減小，而摩擦阻力增大，但壓差阻力減小的速率遠(yuǎn)大于摩擦阻力增加的速率，因此橋墩的總阻力減小。

根據(jù)電磁力F的定義：F＝J×B，其中J為電極所產(chǎn)生的電流密度J＝σE+σ·u×B，B為磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)于強(qiáng)電解質(zhì)溶液，如液態(tài)金屬、熔融半導(dǎo)體等，其電導(dǎo)率較高(σ～10⁶S/m)，磁場形成的電磁力就可以影響流體的流動(dòng)，此時(shí)不需要外電場。對(duì)于海水這樣的弱電解質(zhì)溶液，則同時(shí)需要外加的電場和磁場，此時(shí)，電流密度方程右端第二項(xiàng)常可忽略。因此電磁力F＝σ(E×B)。永磁體中磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定，則電磁力的大小由電場強(qiáng)度E決定，也就是電機(jī)控制器6中的直流電壓源的大小決定。

電極1、永磁體2分別如圖2中截面1和截面2所示，這種裝配方式的目的在于易裝易拆，對(duì)設(shè)備的維護(hù)提供很大的便利。電極1外部設(shè)有外殼5以保護(hù)裝置，若干個(gè)環(huán)形電極1分別通過導(dǎo)線與電極控制器6連接。

所述電極1的材質(zhì)為石墨。

如圖3所示，所述電極控制器6的電源是潮汐能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電的直流電源，開關(guān)SW1和SW2聯(lián)動(dòng)，且同時(shí)處于正轉(zhuǎn)或者是反轉(zhuǎn)，SW1和SW2與正轉(zhuǎn)導(dǎo)通時(shí)，反轉(zhuǎn)截止，電流從V+-SW1-激勵(lì)板-SW2-V-形成回路，電流正轉(zhuǎn)；SW1和SW2與反轉(zhuǎn)導(dǎo)通時(shí)，正轉(zhuǎn)截止，電流從V—-SW2-激勵(lì)板-SW1-V+形成回路，電流反轉(zhuǎn)。當(dāng)SW1和SW2置于斷時(shí)，無閉合回路，電流為零，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的雙向控制，當(dāng)海水逆流時(shí)也能發(fā)揮正向的電磁力控制作用。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。