一般边界条件下功能梯度板流激振动声辐射研究

为了研究嵌于无限大障板中的功能梯度板在湍流激励下的振动声学特性,基于湍流边界层壁面脉动压力互功率谱密度函数、切比雪夫谱方法、瑞利积分以及流体与结构耦合面的连续性条件,通过能量法建立了一般边界条件下功能梯度板的流激声振耦合模型。该模型能够精确预测功能梯度板在湍流激励下的振动及声辐射响应,与解析解和试验值的吻合验证了算法的准确性。对一般边界条件和梯度指数的研究表明:边界弹簧刚度较大时,功能梯度板在低频具有较低的流激声振响应,而高频时的辐射声压有所升高。随着梯度指数的增大,流激振动及其辐射声压的峰值频率逐渐增大,而峰值频率对应的响应值减小。

无轴泵喷叶片流激共振产生机理及其抑制

针对无轴泵喷异常高频梳状线谱噪声,本文研究了梳状线谱的产生原因及其噪声抑制特点。基于推进器实测噪声谱、振动谱梳状特征,初步定位梳状线谱与泵喷叶轮密切相关;进一步采用单向流固耦合分析方法,验证了无轴泵喷高频线谱来源于流激引起的叶轮面内2弯模态共振,并提出了一种在叶轮过流通道增设环筋以提高叶片支撑刚度的方案。流固耦合仿真及实测结果表明:带有环筋加强的泵喷叶轮对流激振动与噪声有明显抑制作用,梳状线谱噪声降幅达25.2~30.2 dB,且未向其他频段转移。

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应用.

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明:1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。

基于空腔流激振荡的气体流量测量方法优化研究

针对浅腔型空腔流量计存在的振荡信号弱的问题,采用一种深腔结构对基于空腔流激振荡的气体流量测量方法进行了优化研究。对浅腔和深腔结构的振荡原理进行了对比,结合数值模拟及实验验证分析了深腔结构中的流场及声场分布特性,探究了气体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。研究结果表明:在一定的速度范围内深腔结构中可激发振荡频率稳定、幅值更大的声振荡区间,且振荡信号的幅值与气体流速呈现稳定的响应规律;采用变径管结构提升谐振腔入口前沿的局部流速,可使该深腔在更低的流速范围内产生稳定声振荡,且流速范围连续,可用于换算6.41~29.97 m/s范围内的气体流速,相应的流量为47.14~220.40 m3/h。

复合围壳-上层建筑结构流激振动噪声特性

为降低水下航行器在高航速下的流激噪声,提升其性能,将复合材料应用于围壳和上层建筑,利用数值计算方法研究围壳-上层建筑结构外部流场的特点及内部流激噪声的变化规律,对比全金属材料与复合材料下围壳-上层建筑结构流激噪声的变化规律及不同工况下复合围壳-上层建筑结构流激振动噪声的变化规律。研究表明:围壳-上层建筑结构内部的流激噪声分布主要与场点到结构表面的距离有关;全金属材料围壳-上层建筑结构的流激噪声整体上大于复合材料围壳-上层建筑结构的流激噪声;围壳-上层建筑结构的流激噪声随速度的增大而增大。研究结果可供复合材料在潜艇降噪领域的应用参考。

三峡大坝深孔工作闸门流激振动特性研究

为深入探究三峡大坝深孔弧形工作闸门运行时的流激振动特性,对其进行了原型观测研究。结果表明:在闸门启闭动态运行时,其动位移极值和加速度极值都相对较小,振动较小;在启门、停门瞬间,闸门的动位移极值和加速度极值都明显增大,振动较大;当闸门开度在0.6~0.7时,闸门发生了强迫振动;1号、12号深孔弧形闸门在运行时都不同程度受到了流激振动的影响,但都属于微小或中等振动,处于安全范围内。相关成果可供大坝安全运行管理及闸门设计制造参考。

复合夹芯导流罩流激噪声数值模拟与控制研究

航行过程中,潜艇壁面与周围流场相互作用而产生的流激噪声会对透声窗结构产生严重危害,因此,有效控制流激噪声具有非常重要的意义。首先采用统计能量法对潜艇首部模型进行流激噪声预报,根据不同航速以及距湍流层前端距离进行分析,得出不同材料对流激噪声的影响规律;其次,针对导流罩低噪声和高透声的要求提出一种3层复合夹芯结构设计,通过选用阻尼材料和设计4种铺层方案对比分析。结果表明,铺层方案为碳纤维/阻尼材料2/钛合金,铺层厚度为10 mm/10 mm/3.55 mm是降噪性能好、透声性强的最优方案,研究成果可为实际应用提供参考。

基于统计波叠加法的流激平板声辐射数值算法研究

结构流激噪声是一个多场耦合的复杂问题,以平板流激噪声为例,提出一种预报流激结构噪声的统计波叠加方法,该方法首先利用有限元耦合波叠加方法获取系统传递函数矩阵,并参考随机声振理论半经验公式构建湍流脉动压力激励谱矩阵以获得流激噪声。该研究给出了预报平板流激噪声的详细流程,通过与统计有限元法以及统计边界元法等传统理论计算结果进行比对,指出了该算法的准确性和高效性,最后给出了影响统计波叠加法计算精度的关键参数。该研究成果为结构振动噪声控制提供了预报方法和技术支撑。

调水工程分层取水口控流平面钢闸门流激振动特性研究

随国家水网工程建设,调水工程分层取水口安全变得尤为重要。在分层取水口闸门控流时闸后可能存在明流、淹没流等不同流态,导致闸门存在不同振动响应特性,需对各流态下的闸门安全进行评估。以某工程为例进行了闸门模态分析及流激振动试验。结果表明,闸后明流、淹没流时振动各参数小于相应标准值;闸后有水跃拍打闸门底部时振动加速度偏大;通过减小过闸流量避开不良流态后振动加速度小于相应标准值。因水力因素导致的振动偏大可通过调度运行方式减小,研究结果可为类似工程提供参照。

基于凝汽器蒸汽流场的管束汽流激振评估研究

凝汽器管束在高速蒸汽冲刷作用下可能会产生汽流激振现象,全面评估管束的汽流激振对保障机组安全运行具有重要的安全意义。采用数值模拟方法,在某核电机组凝汽器若干工况下,对其喉部和壳侧进行蒸汽流场的数值模拟,然后基于凝汽器蒸汽流场分布,分别以最大许用跨距和临界横流速度为评估准则对管束进行汽流激振评估。研究结果表明:对于所研究的核电机组凝汽器,在管束轴向方向上,靠近壳体壁面侧的管束的中段位置为发生汽流激振的危险区;在管束横截面方向上,靠近壳体壁面侧的管束模块上方“树枝”通道外层的冷却管发生汽流激振的可能性很大,且高加疏水工况会加大靠近有闪蒸器这一侧壳体壁面的管束模块在该处汽流激振的可能性;半侧隔离工况下,各管束模块两侧中间位置“树枝”通道外层冷却管有发生汽流激振的可能性。

敷设声学覆盖层平板流激声辐射研究

声学覆盖层被广泛应用于水下航行器降噪设计,但对其流激声辐射研究相对较少。本文首先利用非相关平面波合成湍流脉动压力,并结合振声有限元模块建立流激声辐射数值算法,以水下四边简支平板流激辐射噪声为例与解析解进行对比验证;然后以三维弹性理论解析解为基础,建立敷设声学覆盖层平板辐射噪声有限元模型。最后,探讨敷设声学覆盖层平板流激声辐射产生机理以及影响覆盖层降噪性能的关键参数,为水下结构声隐身提供技术支持。

多孔平板闸门流激振动特性及改善措施研究

项目研究建立了反映多孔水闸闸室、上游连接段和下游连接段的三维湍流流动数学模型,分析了水闸水流在不同运行工况下的流动状况,采用流固耦合模拟方法揭示了闸门不同开度下的流激振动特性。项目基于“VOF+UDF+动网格技术”的闸门闭门过程计算方法,模拟了多孔闸门闭门过程,揭示了闸门不同开度的水流特征。成果已在秦淮新河节制闸得到应用,提出的闸门不良流态和流激振动改善方案已经编入运行操作规程。

某生物质发电汽轮机汽流激振分析和处理

某40 MW级生物质机组运行期间发生了汽流激振问题。介绍了原因分析排查的全过程,通过振动测试进行了原因分析,尝试了现场处理,但未能解决问题。之后根据开缸情况对相关部件进行了返厂修复,并对疏水系统进行了整改。最终查明问题原因为疏水管道布置不当,导致汽缸进水,使外缸上、下半温差急剧增大。这使得机组发生严重的动静碰磨,导致汽封间隙不均,进而诱发汽流激振。发现问题并整改后,机组的异常振动得以消除。研究成果可为类似振动问题的处理提供借鉴。

超超临界汽轮机密封非线性汽流激振力影响的转子运动特性

密封汽流激振作用常诱导转子非线性运动失稳。建立某1 000 MW汽轮机高压缸隔板密封模型,通过动网格技术和多频涡动模型得到非线性密封汽流激振力拟合模型。基于转子动力学建立包含非线性油膜力的转子-轴承-密封系统运动耦合模型,分析非线性密封汽流激振力对系统运动特性的影响。研究表明:非线性密封激振力的拟合模型具有较好的计算精度,且更贴近实际情况;汽轮机在冲转升速过程中,以转子的不平衡响应以及非线性油膜力诱发系统失稳为主。对于不同压比工况,额定转速运行后,当负荷一定时,压比越大,汽流激振现象越明显。随着负荷升高,汽流激振的影响显著增强,也加剧了压比对汽流激振的影响程度,使得密封汽流激振的影响增加,导致系统严重失稳。

多级降压调节阀流激振动监测方法研究

流场内流激振动是诱发调节阀流激共振和流致噪声的主要原因。以DN250多级降压调节阀为研究对象,采用Fluent软件对其流场流动特性进行数值模拟,得到典型开度下体积流量、流速、压力的分布规律。设计了循环式并联流量测试装置,对阀进行流量实验,验证了流量数值模拟的可靠性。采用监测流场漩涡脱落过程中横流会形成平均升力和监测流场湍流压力脉动的不同方法,得到流场流激振动的频谱信息。对两种监测方法机理研究,结果表明:监测升力系数是对整个流场涡脱过程产生的流激振动进行检测,适合监测小开度流场;监测压力脉动是对有限监测点的多种流激振动因素综合效果的监测,受监测点位置和数量的限制,适合中、高开度流场。

基于流固耦合的弧形闸门-闸墩体系的流激振动研究

实际工程中弧形闸门与闸墩联系紧密,在水流脉动压力下二者相互影响,形成一个体系。为了揭示闸门与闸墩的相互影响规律,采取流固耦合理论对弧形闸门-闸墩体系开展流激振动研究。以某水利工程弧形工作闸门为例,针对弧形闸门单体和弧形闸门-闸墩体系分别建立三维有限元模型,计算两种模型的自振频率,基于模态分析的结果对两种模型进行动力响应分析,总结闸门和闸墩在动力特性和流激振动响应方面的相互影响规律。结果表明:闸墩对闸门动力特性及动力响应具有较大影响,考虑闸墩影响时,弧形闸门自振频率下降,其中以支臂振动为主的第4阶自振频率下降幅度最大,为61.45%,面板及支臂顺河向动位移分别减小44.58%及增大37.93%,面板及支臂动应力分别下降41.70%及增加30.71%;闸门流激振动对闸墩应力有显著影响,相较于闸墩按动力系数计算的最大应力增大了4.713 MPa。采用弧形闸门-闸墩体系模型可以更加准确而全面地评估弧形闸门及闸墩在流激振动下的安全特性。

深腔流激振荡特性研究及能量采集初步分析

针对深腔流激振荡现象的内部声场特性及其流体动能利用方法进行了研究,通过对谐振空腔内部的流场和声场进行数值模拟,探究腔体结构尺寸和流速对内部声振荡响应特性的影响,选用合适的空腔结构安装压电换能器初步实现声电能量转换过程,并进行实验验证。结果表明,当谐振腔开口尺寸H_(R)=30 mm,长度L_(R)=230 mm时,可在相当于高压输气管道的流速范围内获得属于第一水力模态和第一声学模态的稳定声振荡;当气体流速为32.26 m·s^(-1)时,声场压力振幅可达4.62 kPa;选用压电陶瓷厚度hp=1.0 mm的压电片进行实验测试,可得开路电压为1.99 V;实验结果与模型预测结果趋势一致。该方法丰富了环境流体动能的利用方式,且有望在低功耗、远距离、低维护等特殊场合的微型无线电子设备中实现无源供电。

不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究

【目的】针对多个平面闸门在启闭过程中受水流脉动压力影响可能引起振动而易发生破坏的问题,【方法】以秦淮新河水利枢纽中某节制闸为例,研究了势流体流固耦合理论,使用ANSYS Workbench软件对多个闸门并行时紧急排水工况进行了三维仿真模拟,获得了该工况不同开度下流场压力、速度,闸门变形、应力等分布情况;对该闸门进行有水、无水工况模态分析;系统研究了闸门在0.2~0.7范围内6个开度下发生流激振动的状态。【结果】结果显示:随闸门开度增大,闸门变形、等效应力减小,流场内最值压力减小、速度减小。受脉动压力作用Y、Z向变形大于X向变形。比较数值结果发现开度较小时开度轻微变化会极大影响应力、变形等参数的变化,如开度从0.2增大至0.3时,闸门最大变形减少49.3%,最大等效应力减小59.7%,流场最值压力分别减少55.2%、54.6%。【结论】建议该闸门应尽量避免长期处在小开度下运行。湿模态情况下固有频率更低,整体发生振动的阶数更多。边缘位置的闸门变形、应力分布异常,使其更易损伤。

大型液压启闭下卧式弧形闸门流激振动及抗振优化研究

大型液压启闭弧形下卧门系特种门型,其水力结构特征有其特殊性。因泄水闸泄流的弗氏数普遍较低,下泄水流流态和对门体的作用力复杂,且闸门面板采用全包结构,存在较大的浮动力,容易引起结构的动力失稳。针对下卧门结构构造及运行特点,通过水动力荷载模型,研究测试不同运行工况下作用于闸门结构各部位的水流脉动压力荷载,获得脉动压力的数字特征及谱特征;通过水弹性振动模型,揭示了闸门发生强烈振动的原因;通过三维有限元空间数值模型,研究闸门结构的静动力特性,取得闸门结构的应力位移分布及闸门结构的流固耦合振动特性,为结构的共振分析提供科学判据。通过对闸门结构水力结构特征成果的综合分析,提出解决闸门强烈振动的抗振优化布置方案,确保工程运行安全。