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。

基于流激振荡现象的流体动能收集技术研究

针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题,该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究,结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究,分析了空腔结构中的流场及声场分布特性,探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真,实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明,在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间,可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压,当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围),声场压力振幅可达6.12 kPa,对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时,最高输出功率可达0.29 mW。

水下开孔结构流激振荡频率特性分析

为了研究水下流激开孔的自持振荡机理及振荡频率预估的问题,对开孔模型进行自由上浮试验和流场数值模拟.试验模型选用无开孔和开孔围壳模型,开孔后围壳表面会测得一系列振动线谱.建立开孔结构的流场仿真模型,采用大涡模拟法对开孔结构流场进行精细的模拟,数值计算的压力振荡频率和试验测得的振动加速度线谱频率基本一致,证明试验测得的线谱是来自空腔流场振荡.对空腔附近涡量和脉动压力变化的观测结果表明,水下空腔自持振荡是来自水动力静压的反馈机制.对自持振荡频率分析表明,经典的Rossiter公式不适用于水下开孔自持振荡问题,应根据自浮试验数据予以修正.

跨超声速开式空腔流激振荡模态预估分析

以Rossiter和Heller的开式空腔流激振荡物理机制与模态预估分析方法为基础,采用量纲分析方法,对描述腔体流激振荡特性的参数进行无量纲处理后进行了分析,并提出了一种新的激振频率预测半经验公式中常数值选取方法,通过风洞试验结果和国外文献结果进行验证,表明该方法基本可行。

圆形月池流激振荡实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析方法和对比研究的实验方法,实验研究了圆形月池在均匀流条件下的流激振荡特性．通过实验研究发现,尽管腔内的流体在不同来流的条件下运动趋势有所不同,但归纳起来对于月池结构,其内部存在两类振荡源,一类是腔内流体的固有振荡,该频率与腔体结构形式、尺寸、腔内流体深度有关,与来流无关;另一类则是流体流经腔口时产生的流体动力振荡,该频率与来流特性、速度有关．当二者频率相近时将会激起腔内流体的共振,即会有“活塞(piston)”现象产生．实验中,还在腔体侧壁上布置了压力传感器,用来分析腔体侧壁受到的流体压力特性及其变化趋势．

均匀流场中三维陷落腔流激振荡实验研究

针对均匀流场中,三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题,开展了系列的实验研究.实验过程中,主要考虑来流攻角为0时,流速变化（Re=2.06×10^5-1.16×10^6）对三维陷落腔流激振荡特性的影响.同时,分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,分析了腔体内稳态压力和脉动压力的周口、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性.实验结果表明：均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂,且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时腔口随边处存在着较大的脉动压力,且脉动压力随相对高度增加而减小,但腔口导边及侧面处的脉动压力随相对高度增加而增大.剪切层自持振荡频率的无量纲数St数随Re变化为一常数值,但其值略大于气流场中二维陷落腔的St数.

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。

船底月池流激振荡特性研究

本文研究了船底月池内流体固有振荡特性,给出了船底月池内流体固有振荡频率计算公式。同时开展了船底月池流激振荡试验研究,测量得到了月池口流体剪切层自持振荡的Strouhal数,根据试验结果分析得出了波浪激励下月池内流体的运动特性。在此基础上预报了实船月池的流激振荡特性。研究成果为实船月池的设计提供了理论和试验基础。

不带导流板矩形腔的流激振荡的频率特性

通过试验发现不带导流板矩形腔的流激振荡问题中，存在两种机理的振荡模式——腔的深度方向上驻波振荡和流体动力振荡，分析、探讨了不同气流迎角、不同腔深情况下的两种振荡频率的变化规律．从中得到如下结果：（１）驻波振荡频率几乎不随流速迎角的变化而变化，但随腔深、腔口截面积的增大而减小．（２）流体动力振荡频率所对应的Ｓｒ近似为一常数，不随流速变化，但随迎角的增大而减小．

水中开孔腔流激振荡控制实验研究

水中开孔腔流激振荡是水下航行器的一类突出噪声源.为探究有效抑制水中开孔腔流激振荡的控制方法和作用特性,首先以水下航行器的表面开孔结构为对象设计了开孔腔模型,并提出一种基于来流边界层分流原理的流动控制装置——前缘分流体,借助循环水洞装置对水中开孔腔的流激振荡特性及其控制进行了实验研究.通过沿流向和展向安装于腔底的动态压力传感器测量腔内脉动压力,分别从腔内脉动压力的频谱特性和空间分布特性两方面,探讨了水中开孔腔在不同流速下的流激振荡特性和前缘分流体对水中开孔腔流激振荡的控制效果,并对前缘分流体的主要作用机理进行了分析.研究结果表明:水中开孔腔流激振荡形式以剪切层自持振荡为主,在流速较低时,如2.4 m/s,就会产生稳定的自持振荡,且具有随流速升高而急剧增大的趋势;前缘分流体对水中开孔腔绕流自持振荡具有良好的抑制效果,且抑制效果随流速增加而显著提升,对腔内脉动压力频谱峰值和总级的最大抑制量分别达到25.3 dB和15.6 dB;此外,前缘分流体对开孔腔流激振荡具有低频频移作用,有益于避免发生流激空腔共振;脉动压力空间分布特性表明,前缘分流体对水中开孔腔流激振荡抑制机理主要在于破坏了腔内流场受到的周期调制作用.

不带导流板矩形腔流激振荡的幅值特性

通过试验，分析、探讨了流激振荡的幅值特性和耦合振荡特性．发现在小迎角下，腔的驻波振荡占优势，其振荡声压级随迎角的增大而增强；在大迎角下，流体动力振荡与腔的驻波振荡发生耦合共振，其耦合振荡的声压级随迎角的增大而减小．耦合振荡的产生有限制条件，即迎角存在下限，流速存在上下限；上限流速随气流迎角的增大而增大．

超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.

腔深对水中空腔流激振荡影响的实验研究

为探究腔深对水中空腔流激振荡的影响,设计了一种可连续调节深度的空腔装置,并在大口径循环水管路系统中开展低速空腔流激振荡实验.基于分别布置在空腔上游、腔底及下游三点传感器的脉动压力测量结果,分析水中空腔流激振荡随腔深的变化特征.结果表明:随着腔深的增加,空腔自持振荡频率有所降低,而振荡幅值有随腔深增大而增大的趋势,腔深对空腔流激振荡的影响主要体现于深长比<1的浅腔流动;同时,空腔深度增加会使得空腔自持振荡更加稳定;可为进一步揭示不可压缩空腔流自持振荡和流激噪声机理提供参考.

流线型突出异型腔的流激振荡和声辐射特性的研究

本文进行了对流线型突出异型腔的流激振荡和声辐射特性的研究，得出了三个结论．第一，在水中和低Ｍａｃｈ数情况下，腔中存在两种振荡模式：腔的本征振荡和腔的流体动力振荡．第二，给出了流体动力振荡的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数和Ｍａｃｈ数之间的关系式．第三，在水中，在低Ｍａｃｈ数情况下，流激振荡的总声级和流速平方成正比增加的关系式．

水洞中突出矩形腔的流激驻波振荡研究

在水洞中进行了变深度的、不带导流板的突出矩形腔在流激励下的振荡实验.对腔口附近壁面上几个典型点及腔底处测得的均方压力进行了谱分析,得到了许多有意义的结果.对驻波振荡,考虑到腔底的弹性边界作用,文中给出了推算水中腔底面反射系数的方法,得到了腔的驻波振荡频率修正公式.从修正公式得到的结果与其它腔深度的实验值比较,符合尚好.

用于空腔振荡控制的压电激励器设计与试验

空腔流激振荡在航空领域比较常见,它会产生巨大噪声,危害结构安全,影响有效载荷投放。基于压电激励器的主动控制方法是抑制空腔振荡的有效措施之一。通过对压电激励器的结构和加载方式进行分析,基于压电方程和材料力学理论,获得了压电激励器的准静态响应位移模型和固有频率模型,并对压电激励器进行了优化设计。通过搭建试验平台,对压电激励器的特性进行试验。采用PID控制器进行了压电激励器的主动振动抑制试验,结果表明,设计的压电激励器性能优良,可较好地抑制振动。

空腔可压缩流致噪声问题研究进展

空腔是一种常见的飞行器结构,高速来流条件下,空腔流致噪声成为重要噪声源,制约飞行器性能的提高。针对空腔可压缩流致噪声问题的研究进展进行综述,分析空腔流激振荡及其诱导噪声的产生机制、参数影响规律与噪声控制技术发展趋势。基于空腔非定常流动及其诱导噪声特性,总结空腔可压缩流致噪声产生、传播规律以及相关研究方法,从来流参数、空腔形态、结构振动等关键参数出发,阐述空腔可压缩流致噪声的参数影响规律,总结空腔噪声控制技术的研究现状以及存在不足。最后,对空腔可压缩流致噪声问题研究面临的挑战和发展趋势进行展望。

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题,通过高速风洞实验,开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究,为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理,建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术,采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法,获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征,分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示,内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成,噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时,内埋弹舱结构响应明显增强,在噪声载荷主频位置,结构振动谱出现峰值,此时噪声/振动数据相关性最大,且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。

水流引起突出流线型柱腔共振的实验研究

在我国梅山水库试验水洞中,进行了流线型柱形腔的流激振荡实验研究.记录了不同流速情况下,腔中和腔土方的水听器输出噪声信号,同时记录了水洞试验段不同部位和腔壁上的加速度计输出振动信号.经过分析,发现突出试验段壁上的流线型腔与突出的矩形腔在气流中被激振荡相似,存在着其频率与流速无关的腔中液体声共振谱峰;同时,还发现其频率值与流速值成正比变化的流体动力共振谱峰.文章给出长140mm、宽28mm的流线型柱腔在腔深60mm和40mm两种情况下,其水流速度3～15m/s时,均方压力谱密度特征;给出前三阶液腔共振谱峰和前四阶流体动力共振谱峰的频率和谱级随流速变化的关系.

干式超声清洗头空腔结构声模态特性数值模拟

为研究干式超声波清洗头空腔结构的流场和声场特性,根据干式超声清洗头的超声波发声机理设计了通过流体间流体力学相互作用发声的3 mm腔体(小腔体)结构和通过流体与声学模态共振相互作用发声的10 mm腔体(大腔体)结构,采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对所设计的方腔展开数值研究。结果表明:两结构有着相似的流场特性,相同压力条件下小腔体的流激振荡更激烈;腔体内最大流速随压力的增大而增大,最大流速的增长率随压力增大而减小,不同的腔体在相同压力条件下最大速度、最大速度的增长率相近;两种结构均能产生超声波,其超声波发声机理与腔体尺寸相关,发声机理与预测值相符。研究表明,针对干式超声波清洗头的流道结构设计并不局限于流体间流体力学相互作用发声的小腔体,大腔体同样可以产生强烈高频超声波,这为干式超声波清洗头的结构设计提供参考。