钻柱振动的主被动控制研究进展与展望

在油气井钻进作业过程中,钻柱长期工作在充满钻井液的狭长井筒里,其受到井底压力、摩擦、岩石硬度变化的影响,受力情况非常复杂,会产生多种形式的振动,这些是影响钻具寿命和钻进效率的最主要因素。为系统分析工程界和学术界长期以来普遍关注的钻柱系统振动的有效控制问题,对近几十年来国内外在钻杆振动控制上使用的各种方法进行了分类和归纳,总结了各种方法的特点、应用场景以及不足之处,并对钻柱系统振动控制技术的发展趋势进行了展望。研究结果表明:(1)现有的钻柱振动主动控制主要集中于单一方向(扭转振动)和2个方向的耦联振动(纵扭耦联振动),且控制参数主要集中于钻压和扭矩,仅控制单方向的振动和单参数的调节,效果将很难保证;(2)被动控制是通过改变钻柱系统自身的结构或设计参数来抑制其振动,控制过程不受结构响应和外部干扰的影响,虽然效果有较大的局限性,但仍应在设计阶段给与足够的重视;(3)今后钻柱振动控制将朝着同时基于地面和井下测量数据,纵、横、扭3个方向联合控制的方向发展。结论认为,钻杆振动往往是几种基本振动形式的耦联,并具有明显的非线性特征,基于数据驱动的钻进系统动力学建模、考虑模型不确定性的现代鲁棒自适应控制技术以及新兴的人工智能技术将会成为未来钻柱振动研究和发展的主流趋势。

中/低雷诺数翼型后缘纯音噪声物理机制与主/被动控制研究综述

基于国内外研究成果,本文总结了中/低雷诺数下翼型后缘纯音噪声的物理机制与主/被动控制的研究现状,阐述了目前该研究还需回答与解决的部分问题,并对可能的新研究思路与方法进行了展望。在物理机制方面,边界层内声反馈和后缘涡脱落是公认的中/低雷诺数下翼型后缘纯音噪声的2种主要发声机制。前者由T–S不稳定波散射噪声向上游传播、在边界层与翼型后缘之间形成,产生的纯音噪声具有典型“阶梯状”离散频谱特性;后者由翼型尾流整体不稳定性引起,纯音噪声具有单一频率特性。2种发声机制之间如何竞争以及噪声频率如何选择等问题仍未完全解决。在研究方法方面,主要采用线性稳定性分析、风洞实验测量和DNS/LES数值模拟等研究方法。由于现有研究的翼型较为单一,所得结果无法满足翼型低噪声设计的需求。在噪声控制方面,被动控制方法多采用翼型前/后缘锯齿、多孔材料和柔性壁面,主动控制方法多采用表面吹/吸气和等离子体技术;在基于机理分析有效抑制翼型后缘纯音噪声方面,还有较多可改进之处。

含夹层流体的双板主、被动控制理论分析和试验研究

为了对含夹层流体的双板结构的振动进行控制,基于改进的傅里叶级数法对此双板结构进行理论建模,采取等效方法考虑涂敷阻尼层的影响,并运用有限元方法验证理论模型的正确性。同时介绍FxLMS算法并将其运用于双板的主动控制中,以前述理论方法为基础,得到各通道的传递函数,并基于MATLAB进行算法仿真,取得较好控制效果,可为算法的控制效果验证提供参考。对双板的振动进行控制试验,对比控制前后双板振动加速度级,发现敷设阻尼层较为明显减弱中高频振动,在135Hz频率点处主动控制单通道的控制效果良好,主、被动一体化控制前后下板的振动加速度总级(10~3000Hz)相比降低6.61dB,验证了控制措施的有效性。

涡轮叶尖泄漏流被动控制数值模拟

结合基于密度修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过在叶尖吸力面表面加肋条的被动控制方法以期减小叶尖间隙泄漏流动带来的损失,对某一轴流涡轮转子叶尖间隙泄漏流场的被动控制进行了数值模拟研究,并详细分析了在不同肋条高度下泄漏流场细节,最后计算了涡轮效率。结果表明,在涡轮叶尖表面沿吸力面边缘镶肋条对泄漏流动进行被动控制,相对于与其相对叶尖间隙高度相等的基本间隙流场,涡轮效率增大;肋条高度对涡轮效率有较大影响,相对等绝对叶尖间隙高度的基本流场,增大肋条高度可以提高涡轮效率。在叶尖间隙区域前半部,肋条对泄漏流动的阻挡作用使得在叶尖表面出现回流区,阻碍泄漏流动;在叶尖间隙区域后半部,回流区消失。

室外细颗粒物(PM2.5)建筑围护结构穿透及被动控制措施

为探究室外细颗粒物(PM2.5)通过围护结构缝隙进入建筑室内的原因及影响因素,并以"源头控制"为思路提出被动控制措施,通过实测手段分析了室内和室外PM2.5的相关性及外窗气密性对室外PM2.5的阻隔作用;在介绍PM2.5围护结构缝隙穿透模型的基础上,分析了室外PM2.5进入室内的影响因素;根据实测和理论分析结果提出了被动控制措施。结果表明:室内外PM2.5浓度具有相关性,气密性好的外窗对室外PM2.5的阻隔作用强;颗粒物穿透围护结构的过程受换气次数影响。因此,对于住宅或无正压保证的建筑,应采取较高气密性外窗、保证外窗密封胶条产品质量和安装质量、加强墙体预留孔口的密封以及定期维护等被动式控制措施,以减少室外PM2.5向室内的穿透。

动载体成像模糊的振动被动控制技术

动载体成像模糊的振动被动控制技术是解决无人机在高空飞行时,振动加速度为5g(20 500Hz)条件下引起的成像模糊问题。介绍了动载体成像模糊的机理、动载体成像模糊的容限。为了提高动载体光电系统的动态分辨能力,提出了解决动载体成像模糊的措施———振动被动控制技术。分析了振动被动控制的基本原理和设计原则,给出一些相关的典型设计实例。

被动控制技术在大跨空间结构中的应用概况

结构被动控制技术将传统的依靠结构自身强度和刚度来增强结构抗力的设计方法转变为利用控制装置吸收并耗散振动能量,是抗震防灾的一种积极有效的设计手段。基于被动控制机理,分别从隔震、消能减震和调谐减震3种途径系统总结了被动控制技术在大跨空间结构中的应用概况,介绍了相应的控制措施和控制效果,给出了实用性的结论,结果可为大跨空间结构的工程设计提供参考。本成果对推动振动控制手段在大跨空间结构中的实际应用具有积极意义。

加层结构被动控制最优侧向刚度的试验研究

文中将原结构简化成一等效单自由度体系，而将加层部分结构作为一被动控制质量块，以原结构在一定频率范围内的谐波激励下稳态位移响应的最大幅度为目标函数，将加层结构与原结构间联接的侧向刚度为优化设计变量，采用黄金分割法，求解了加层结构与原结构间侧向刚度的最优值。同时，进行试验分析，验证了理论分析结果是可靠的。

并列双圆柱尾迹被动控制中流场特性的实验研究

本文采用一个与主圆柱平行的小圆柱对并列双圆柱(中心距为1.5D,其中D为圆柱直径)的旋涡脱落进行被动控制。研究中,基于圆柱直径的雷诺数Re=5900。控制小圆柱被放置于并列双圆柱下游中心线上L=0～2D的距离上,其中L为控制小圆柱和并列双圆柱之间的距离。采用热线风速仪测量了并列双圆柱下游10倍直径处截面上的瞬时速度,得到了平均速度剖面和雷诺应力分布,同时测量了并列双圆柱的表面压力分布。通过分析测量结果发现,当控制小圆柱距离较近时,例如,L/D≤0.5,小圆柱对旋涡脱落和流场的控制作用非常明显,流场上下对称。而当L/D≥1.0时,小圆柱不能抑制宽窄流的出现,其对流场的控制作用大为降低。

基于摩擦阻尼器的高耸电视塔结构风振反应被动控制

研究了高耸电视塔结构基于被动摩擦阻尼器的风致振动控制问题。建立了电视塔结构的三维有限元模型和二维等效动力分析模型。随后建立了电视塔结构的受控运动方程和风荷载模拟方法。在此基础上以合肥电视塔为背景,进行了结构风振反应控制分析和相应的参数研究。分析表明,被动摩擦阻尼器可有效地抑制结构的风振反应。通过合理地选取阻尼器参数,可以获得满意的减振效果。

替换阻尼杆件的双层柱面网壳被动控制振动台试验研究

本文在拟动力装置上对自行设计的孔隙式粘滞阻尼杆件进行了性能测试,并用其替换双层柱面网壳的部分下弦杆进行了被动减震控制的振动台试验,输入了多种能级的不同地震动,针对替换不同位置和数量的阻尼杆件进行了多种工况下的试验研究。试验结果表明减震效果明显,与理论分析结果吻合较好。

相邻结构间被动控制装置的位置优化设计

为了解决确定数目条件下被动控制装置在相邻结构间的优化布置问题,利用改进遗传算法和控制系统H2性能指标对控制装置的位置进行了优化。分别采用Kelvin模型和Maxwell模型模拟黏弹性阻尼器和流体阻尼器,在双体单自由度结构间设立Kelvin型或Maxwell型被动控制单元的优化参数表达式,得到相邻高耸结构间控制单元的优化参数,通过相邻超高层结构算例验证了该控制设计方案的有效性和实用性。

电磁摩擦耗能装置结构体系被动控制试验研究

在已有电磁摩擦控制装置性能试验的基础上 ,根据 1∶4五层钢框架结构模型设计制作了电磁摩擦耗能装置。该装置可以根据结构控制层的层间位移来调节工作电流 ,实现控制力变化连续、可逆、迅速 ,因而克服了普通摩擦耗能装置控制力不可变的不足。分别将装置安装在底层柔性结构模型和普通结构模型上进行了地震模拟振动台试验。大量振动台试验结果表明 ,电磁摩擦耗能装置用于结构被动控制具有良好的可靠性和适应性 ;是一种新型、有效的摩擦耗能装置。

机构运动副间隙被动控制研究

将阶跃函数与牛顿二状态相结合 ,考虑曲柄非匀速运转 ,对含间隙平面连杆机构的副间分离与碰撞过程建立了动力学统一模型 ,利用该模型 ,引入粘弹性阻尼被动控制技术 ,通过算例分析了被动控制的效果。分析结果表明 ,在不改变机构基本参数的情况下将粘弹性材料引入到机构的间隙铰接处大大降低碰撞时引起的冲击效应 ,提高了机构运转的的稳定性 。

超高负荷低压涡轮叶型边界层被动控制

应用商用流体计算软件求解定常雷诺平均N-S方程组耦合Lantry-Menter转捩模型,对来流湍流度1.5%,不同进口雷诺数下,前加载超高负荷低压涡轮叶型进行了数值模拟。在与相关实验数据对比的基础上,研究了三种被动控制方式的控制效果与控制机理。结果表明:弧形凹槽的最佳开槽位置在分离点,最佳深宽比为0.15,表面拌线和矩形条的最佳加载位置在速度峰值点与分离点的中点;控制方式能否有效与其增加的掺混损失和减少的分离损失有关;三种控制方式均通过产生小漩涡来增加低能流体与高能流体之间的交换,从而加速转捩减小分离泡降低叶型损失。

一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源被动控制

为了探索一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源、被动控制方法,采用有限体积法计算流体力学程序,分别对压缩拐角和激波入射平板两种典型流动的附面层分离进行了无源被动控制的数值研究。数值结果表明,新型无源被动控制方法消除了20°压缩拐角流动所产生的分离泡;对激波入射平板所诱导的附面层分离,采用的自适应无源控制方法可将分离区长度减小为无控制时的58%、总压恢复可比无控制时提高7.2%、x=0.85m截面最大回流速度较无控制时减小了69.3%。从而验证了无源被动抑制控制激波-边界层相互作用的可行性。

建筑结构被动控制发展动态

本文对建筑结构被动控制发展过程和动态进行综述。主要介绍了建筑结构被动控制中常用的金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、可调质量阻尼器、粘弹性阻尼器、可调流体阻尼器和粘性液体阻尼器．

桥梁结构MTMD被动控制机理及试验

为了研究桥梁结构多重调谐质量阻尼器(MTMD)被动控制的特点及减振效果,根据能量守恒原理推导出了地震作用下桥梁结构动能、阻尼耗能、应变能和地震输入能的增量表达式,并用Visual C++6.0语言编制了能量时程分析程序。基于桥梁的能量时程分析,从地震能量输入、地震能量分配与耗散2个方面阐述了MTMD的制振机理。最后通过MTMD振动台模拟试验验证了计算结果和制振机理分析的正确性。

基于压电分支阻尼的多模态电路被动控制的研究和应用

该文对基于压电阻尼技术的结构多模态振动控制进行了探讨和研究,从理论上对其能量转换技术,即压电阻塞电流分支电路原理及其优化电路进行了分析和说明。最后以根部粘贴有压电陶瓷片的悬臂梁结构为例,设计了相应的阻塞电流分支电路,并对该结构的一阶和二阶模态振动控制进行了实验研究和数据分析。结果表明:可以对2个振动模态同时进行衰减,减振效果良好。

我国结构被动控制工程应用的几个问题

概述了目前结构被动控制发展的现状，讨论了我国结构被动控制工程应用所面临的几个问题，即：综合效益问题、设计问题、产业化问题和功能材料的应用问题。首先，通过分析表明，有控结构与无控结构相比具有明显的综合效益；随后，就设计问题、产业化问题和功能材料的应用问题指出了值得进一步研究的课题。