拱坝坝身泄洪孔道脉动压力分布规律及其振动特征

【目的】高拱坝坝身泄洪安全研究涉及泄洪孔道设计、结构强度、泄洪过程中的水流压力分布和流态特性等方面。【方法】以某坝高为270 m拱坝为研究对象,利用计算流体力学模拟坝身泄洪孔道流场并分析其脉动压力分布特征,利用流体/结构耦合有限元模拟最不利工况压力脉动与坝体结构振动特征,解析泄流激励下高拱坝坝身振动机理。【结果】研究结果表明,拱坝坝身泄洪孔道内脉动压力变化极为复杂,其中表孔脉动压力最大值为133.25 kPa,最小值为29.48 kPa;中孔脉动压力最大值为5274.99 kPa,最小值为953.24 kPa.拱坝坝身泄洪孔道脉动压力在频域的能量分布均具有低频的特征,主能量分布在0~10 Hz的频率范围内。在泄流激励条件下,拱坝坝身总位移随脉动压力变化呈现一定周期性,且随周期总位移逐渐衰减,总位移值与脉动压力在同周期内先增大后减小,总位移值在1.2 s增大至最大值0.2120 cm,对应泄洪孔道脉动压力增大至极大值;拱坝坝身等效应力和等效应变的变化规律基本一致,1.2 s时等效应力和等效应变极大值分别为1426.60 kPa、7.49×10^(-5),且同周期内脉动压力呈现同样的变化趋势,拱坝坝身等效应力和等效应变与脉动压力变化具有完全的相关性。

基于沟槽结构的泵喷推进器导管脉动压力控制研究

本文借鉴航空发动机中的压气机“处理机匣”技术,在泵喷推进器导管内壁开设一定数量的轴向沟槽结构,用于减弱泵喷推进器的梢涡,从而减小泵喷推进器导管内壁上的脉动压力。结合分离涡模拟(DES)方法和滑移网格方法对椭圆形水翼的梢涡流场进行数值模拟,数值计算结果与试验值吻合度较高,验证了数值计算方法的可靠性与适用性。在此基础上,分别对有无沟槽结构的泵喷推进器进行数值模拟,对比分析沟槽结构对梢涡涡核压力、导管内壁脉动压力和水动力性能的影响。结果表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,并对导管内壁面上脉动压力幅值有明显的降低效果,且对水动力性能影响较小。

脉动压力风洞试验采样参数确定方法及应用

综合考虑脉动压力风洞试验中的时间延迟效应,以及结构振动响应分析时截止频率相关要求,推导出采样频率的计算公式。依据统计学理论,推导特定置信度和准确度下的采样时间的计算公式,并计及结构振动响应计算中对频率分辨率的要求,建立采样时间的确定方法。从输入参数、计算过程和结果出发,建立了信号采样参数的确定流程。以飞机典型结构脉动压力风洞试验为例,对该方法进行了说明,分析了相似换算后结构原型的脉动压力功率谱密度,结果满足振动响应计算需求,表明所提采样参数确定方法可行有效。该方法理论依据明确,对脉动压力风洞试验设计具有指导意义。

基于线阵列的湍流边界层壁面脉动压力波数-频率谱模型实验研究

湍流边界层壁面脉动压力波数-频率谱建模是流动噪声领域十分关注的问题。研究首先总结归纳了近60年来的11种波数-频率谱预测模型,并按照模型的理论基础和表达形式划分为四类:Corcos类模型、不可压缩理论基模型、可压缩理论基模型和其他类模型。然后,开展声学风洞线阵列实验并对各预测模型进行展向方向波数积分,分别获得了流向方向的湍流边界层壁面脉动压力波数-频率谱实验测量结果与模型预测结果。最后,按照Corcos类模型与非Corcos类分别开展对比研究,分析研究了四类11种模型预测能力。研究结果表明:线阵列测量可以有效获得流向方向的波数-频率谱,并可用于校验各预测模型精度;在6个Corcos类模型选取时,需根据所关心的频率、波数范围及表达式计算复杂程度选取合适的预测模型;5个非Corcos类模型能够直接预测波数-频率谱,不需要自谱模型输入,较Corcos类模型具有较大优势,其中综合考虑Chase I模型最优,Chase II具备声学区边界预测能力。

非均匀来流下螺旋桨空泡脉动压力特性研究

针对某船用大侧斜螺旋桨(HSP),采用多场同步测量系统,在空泡水筒内开展螺旋桨空泡演化及其脉动压力特性试验研究,探究进速系数和空化数对螺旋桨空泡脉动压力特性的影响。试验结果表明:螺旋桨出现的空泡类型包括叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡,低频脉动压力与空泡体积振荡相关。在无空泡情况下,对比各阶叶频分量对脉动压力的影响,一阶叶频为主要分量,可忽略高阶叶频分量的幅值;空泡产生后,非定常空泡演化对螺旋桨脉动压力性能影响较大,脉动压力出现明显高阶叶频分量,同时主频脉动压力幅值显著增加,空泡发展过程越剧烈,变化越显著;当出现不稳定的梢涡空泡时,脉动压力高阶叶频分量明显增大。

艉板式与浸没式喷水推进器尾迹脉动压力试验研究

喷水推进器的喷射流尾迹对船舶隐身特性造成不利影响,目前缺乏喷水推进船舶喷射流尾迹的测试方法及特性研究。本研究搭建了喷水推进船舶尾迹脉动压力测试试验台,分别对艉板式与浸没式推进器喷射流尾迹开展脉动压力测试,基于不同测点位置、不同航行状态下的尾迹脉动压力频谱结果,对比了艉板式喷水推进器和浸没式喷水推进器的尾迹频率与振幅特性,并基于HHT方法细致分析了航行状态下的喷射流尾迹发展规律。发现在靠近水面的浅水位置,相较浸没式推进器,艉板式推进器的喷射流入水显著增强尾迹强度和影响范围,而在深水位置,喷射流强度整体差异不大。此外,在航行状态下,由艉板式推进器喷射流引起的波浪强度也明显高于浸没式推进器,结论为浸没式喷水推进技术发展与推广应用奠定了基础。

平面槽道湍流壁面脉动压力的特性与机理研究

以平面槽道湍流壁面脉动压力特性以及边界层速度源项对壁面脉动压力的贡献为研究关注点。基于约翰霍普金斯大学湍流数据库中的平面槽道流直接数值模拟数据,利用格林函数求解泊松方程构建边界层速度源项与壁面脉动压力的理论关系,通过傅里叶变换计算壁面脉动压力谱和边界层速度源项分压谱,揭示壁面脉动压力谱的波数-频率域的特性,对比分析边界层不同区域不同源项对壁面脉动压力的贡献。结果表明,壁面压力自功率谱在低频、中频和高频段的形状分别为ω^(2)、ω^(-0.775)和ω^(-5);波数-频率谱中迁移脊在波数130 rad/m、频率120 rad/s区域,揭示湍流涡旋结构迁移速度为0.54倍流速;壁面脉动压力主要由速度场源中平均剪切湍流作用项Pms与湍流-湍流作用项Ptt共同影响,Pms贡献占主导。

螺旋桨空泡诱导的脉动压力信号处理方法

在空泡脉动压力试验中,通常先对不稳定空泡进行通气处理,确认空泡稳定之后再进行数据采集和处理,这会使模型尺度与实尺度空泡的形态、稳定性和脉动压力的时域特征产生差异,从而影响空泡脉动压力的预报精度。由此,开展脉动压力信号处理方法研究,降低空泡稳定性差异对脉动压力预报结果的影响。分别采用直接对压力时域信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)、对脉动压力信号进行时域平均之后做傅里叶变换(时域平均FFT)和对脉动压力信号进行傅里叶变换之后做频域平均(FFT频域平均)等3种方法对稳定和不稳定空泡诱导的脉动压力信号进行处理和分析,结果表明:对于稳定空泡,相比直接FFT方法,时域平均FFT方法和FFT频域平均方法能消除随机因素的干扰,2种方法的预报结果一致;对于不稳定空泡,时域平均FFT方法不再适用,FFT频域平均方法能较为准确地预报脉动压力幅值。

非恒定过闸水流的脉动压力时频研究

采用希尔伯特黄变换的时频分析处理方法,对平面闸门开启过程中过闸水流脉动压力信息进行时频幅值信息提取。通过传感器获得水力学试验模型的实测过闸水流脉动压力信号,对10、20和30s开启时间以及两种出流状态的脉动信号进行时频幅值信息提取,获得该信号的各IMF信号分解图和二维Hilbert时频谱。结果表明,淹没出流时的过闸水流脉动压力明显大于自由出流时的水流脉动压力。同等工况条件下闸门底缘中点脉动压力最大幅值大于闸门底缘中点的正下方位于水槽底部脉动压力最大幅值。通过水流脉动信号的EMD分解图得出闸门开启时间为20s时开启速度为0.07~0.08m/s时水流脉动频率较为平稳。

船舶总振动预报中螺旋桨脉动压力的新型加载方法

为了准确地分析螺旋桨脉动压力对船体总振动的影响,提出一种新型加载方法。首先以船级社的振动指南为基础,介绍脉动压力的构成部分,根据Holden分布,在已有模型试验报告的情况下,解析获得空泡引起的脉动压力;提出一种在较宽的振动频率范围内,基于空泡压力和非空泡压力组合施加的新型脉动压力方法。针对某型集装箱船,建立全船三维有限元模型,分别采用常规方法和新型施加方法进行加载,分析一阶脉动压力引起的振动响应。对比常规加载方法和新方法的区别,结果表明本方法在振动预报趋势上和常规做法一致,在数值上更具有合理性。

基于经验公式法的船舶螺旋桨脉动压力计算与软件开发

船体振动是船舶在航行过程中由于各种原因产生的振动,船上90%的振动源于螺旋桨的脉动压力,其可激起艉部振动、上层建筑振动和局部振动。特别是在螺旋桨上方区域,往往由螺旋桨脉动压力而激起局部结构共振或强迫振动,进而造成结构疲劳破坏或居住舒适度减小,因此减少螺旋桨脉动压力产生的振动很有必要。在螺旋桨设计初期,过于复杂的脉动压力计算方法便捷性不高,设计出1款能快速估算螺旋桨脉动压力的软件十分重要。该文基于QT平台和MATLAB软件混合编程,采用经验公式法,开发了1款船舶螺旋桨脉动压力快速估算软件,探讨了脉动压力的影响因素及其变化规律。结果表明:船舶剖面形状参数、船舶种类和螺旋桨转速对螺旋桨脉动压力影响较大。该项研究成果可为船舶减振降噪提供参考。

7°尖锥高超声速边界层脉动压力实验研究

针对半锥角7°尖锥模型,在常规高超声速风洞中开展了边界层脉动压力测量实验,进行了线性稳定性分析,研究了单位雷诺数和马赫数对尖锥边界层转捩位置和边界层稳定性的影响规律。模型长度800 mm,头部半径0.05 mm,实验单位雷诺数0.49×10^(7)~2.45×10^(7) m^(-1),马赫数5~8,迎角0°。通过红外热图技术和高频脉动压力测量技术获得了模型表面边界层转捩位置和边界层内扰动波能谱分布,利用线性稳定性理论分析了最不稳定波频率和增长率。实验结果表明:在转捩区间可以测量到明显具有不稳定波频谱特征的脉动压力信号,其频率与稳定性理论分析的二模态不稳定波接近,幅值变化趋势也与之类似;随着雷诺数增大,不稳定波出现位置提前,频率增大,转捩位置提前;边界层中不稳定波包含第一和第二模态,马赫数5时,转捩由第一模态主导,马赫数高于6时,由第二模态主导。

空泡对喷水推进器流道脉动压力影响的试验研究

为研究空泡对喷水推进器流道脉动压力的影响,该文以某一轴流式喷水推进器为对象,在空泡水筒中开展脉动压力模型试验研究。为使试验尽可能接近喷水推进器在实船上的工作状态,在空泡水筒上搭建了专用试验台,利用空泡水筒试验段模拟船底水流和推进器进口流道,从而在试验段上方构建喷水推进器旁路试验装置。试验在不同流量及空泡数下进行,通过测量喷水推进器叶轮段流道内壁的脉动压力,并优化测点布置,研究流道脉动压力沿叶轮叶梢弦长方向和周向的分布规律以及空泡的影响。试验结果表明:在叶梢弦长方向上,空泡对流道脉动压力的影响主要集中在0~50%弦长区域;周向脉动压力最大值出现在进口流道及叶轮轴引起的低流速区,而空泡对周向脉动压力的影响也集中在此区域。

基于小波包变换的柱塞泵脉动压力信号BP故障诊断

为了提高柱塞泵脉动压力信号的故障诊断诊断能力,分别提取得到正常的泵脉动压力与齿圈出现磨损故障时对应的泵脉动压力,利用小波包变换的方法消除原始信号的噪声信号,再提取得到由故障信息构成的频段,完成信号时域特征的分析。频段介于0~4 kHz之间时,在柱塞泵脉动压力信号中形成了泵轴频、基频与谐倍频等,含有泵运行过程的各项信息参数,处于高频区间时,发生了线谱幅值的持续减小。利用MATLAB软件建立BP网络故障诊断结果表明:脉动压力指标可以实现柱塞泵内部运行情况的准确识别,达到故障诊断的测试要求。方法在诊断方面是有效的,在处理柱塞泵脉动压力信号故障诊断领域具有很好的实际指导意义。

基于希尔伯特—黄变换的过闸水流脉动压力时频特性分析

平面闸门通过启闭控制蓄水和泄水,在运作时容易受水流脉动压力作用而发生破坏。为研究闸门启闭运动与过闸水流的相互作用过程,首先对不同底缘形式下的闸门启闭过程中过闸水流进行三维数值模拟,再采用希尔伯特—黄变换对过闸水流脉动压力信号进行时频特性分析,得到信号的时间—频率—幅值信息,对比分析发现在前倾45°、后倾30°的组合式闸门底缘,在闸门底部受脉动压力作用较平缓,测点能量幅值的变化差值最小,水流流态较为稳定。该研究可为平面闸门过闸水流脉动压力分析提供参考。

旋成体跨音速脉动压力环境分析与预测

脉动压力是进行结构响应分析和力学环境研究的重要依据。利用平均流场的数值模拟方法与基于实验的工程预测模型相结合的技术途径,对跨音速下旋成体的表面脉动压力环境进行了分析与预测,给出了旋成体在不同攻角、不同马赫数条件下表面脉动压力系数分布以及脉动压力功率谱分布曲线,并且与实验结果作了比较分析,得出结论基本一致。

浅谈水力学面脉动压力的计算

介绍了在已知点脉动压力情况下 ,根据积分原理及采用波形合成技术 ,求解射流冲击产生面脉动压力的分析计算方法。该方法原理简单、思路清晰 。

TBL脉动压力激励下锥柱壳及内声场声振耦合分析

本文首先建立了简单锥柱壳及其内部声场的声振耦合动力学分析模型,包括有限元模型和统计能量模型;然后结合混响场试验结果修正分析模型;最后通过湍流边界层经验模型施加激励,模拟飞行过程中的非定常气动环境,采用修正后的动力学分析模型开展声振耦合动力学分析,讨论锥柱壳结构响应及其内部声场响应情况,为后续开展减振降噪设计打下基础。

流态床速冻设备中脉动压力的测试方法及应用开发

为了满足冻品的单体率要求,市场上的流态床速冻机大部分采用振动辊子敲打传送带的方法使冻品分离,另一种流态床速冻设备,利用气流的脉动保证冻品的单体率,能够满足大部分冻品的冻结需求,其中气流的脉动压力是保证冻品悬浮效果的关键参数。通过制作流态床冻结装置样机模型对产生脉动压力所需的系统阻力和风机压力进行研究,对开发高效率的流态床速冻机提供一定帮助。

动车组模型表面脉动压力的提取方法研究

列车表面脉动压力是引发列车气动噪声的主要来源,高速列车表面压力测试过程中,难于有效提取出脉动压力,为此,设计了动车组模型表面压力试验测试系统:利用LabVIEW编写数据采集和输出程序以及PID控制程序完成风速控制系统的设计,利用数据采集卡、离心通风机、有机玻璃风道以及动车组模型等完成压力测试系统的设计;提出利用EEMD分解和重构提取出不同速度级下测点处的脉动压力,并得到不同速度级下的脉动压力级波动范围和波动幅度。研究结果表明:该系统可有效测量出动车组模型表面压力;通过提取出不同速度级下的脉动压力,可以看出,随着速度的增大,脉动压力增加;建立的总脉动压力级与速度的关系可为列车的结构设计和减振降噪提供理论指导。