流體誘發(fā)管道振動(dòng)的機(jī)理及相應(yīng)的研究方法概述

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

流體誘發(fā)的振動(dòng)作為專門的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域,從形成、發(fā)展到逐漸成熟迄今已有近50年的歷史。它的發(fā)展還得益于對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的顫動(dòng)以及懸索橋與煙囪的流振研究后所建立的基礎(chǔ)。自二十世紀(jì)60年代到70年代,對(duì)單相流體沿橫向與軸向繞流管束時(shí)誘發(fā)的管道振動(dòng)與聲振動(dòng)的研究,已取得相當(dāng)大的進(jìn)展。1977年契諾韋士(Chenoweth)發(fā)表的技術(shù)報(bào)告對(duì)此有全面的介紹與總結(jié)。我國(guó)則是從二十世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)行流體振動(dòng)方面的研究,在振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)特性、防振措施等方面都作了許多工作。

管中單相或兩相流體無論是沿管道的軸向還是橫向流過管束時(shí),由流體流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力作用在管道上,都將導(dǎo)致管道振動(dòng)。至于管道振動(dòng)的機(jī)理,目前比較一致的觀點(diǎn)是以下四種:

1. 旋渦脫落激振(Vorticity Shedding Excitation)

這種振動(dòng)起因于從管道表面上周期性脫落的旋渦所產(chǎn)生的周期性的流體力。如果旋渦脫落頻率與管道的固有頻率一致,管道便會(huì)發(fā)生共振。處于橫向流中的單根圓管,從管道表面上脫落的周期性的旋渦,即通常所稱的卡門旋渦。某種周期性脫落的旋渦使管道存在共振,特別是在液流或高密度的氣流中,周期性的作用力相當(dāng)大,因而管道的振幅也比較大。兩相流體橫向流過管束,只有在體積含氣率小于15%時(shí)才會(huì)發(fā)生周期性的旋渦脫落激振。

2. 湍流抖振(Turbulent Buffeting)

有時(shí)也稱湍流激振(Tubulent Excitation)。湍流抖振是指在節(jié)徑比小于1.5 的密排管束中,由于沒有足夠的空間,故難以發(fā)生卡門漩渦的脫落。但流體的極度紊流也會(huì)誘發(fā)管道的振動(dòng)。紊流漩渦使管道受到隨機(jī)的波動(dòng)的作用力。而且紊流有一個(gè)相當(dāng)寬的頻帶,當(dāng)頻帶中的某一頻率與管道任一振型的自振頻率接近或相等時(shí),便會(huì)導(dǎo)致大幅度的管道振動(dòng)。由于其引起的振動(dòng)很不規(guī)律而且?guī)в须S機(jī)性,故一般認(rèn)為紊流不是引起管道振動(dòng)的最主要原因,而是引起流體彈性激振的主要原因。

3. 流體彈性不穩(wěn)定性(Fluidelastic Instability)

也稱流體彈性激振(Fluidelastic Excitation)。流體彈性不穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)的流體力與管道的運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)流體速度較高時(shí),流體給予管道的能量大于管道的阻尼所消耗的能量。在流體力作用下,管道將產(chǎn)生大振幅的振動(dòng),很短時(shí)間內(nèi)便遭到破壞。無論是氣體、液體、還是兩相流體當(dāng)其流過管束時(shí),最常見到的與最具有破壞性的就是流體彈性不穩(wěn)定性。因此它也是最重要的激振機(jī)理。

4. 聲共振(Acoustic Resonance)

氣流橫向流過管束時(shí),當(dāng)周期性的旋渦脫落頻率與管程的聲駐波頻率一致時(shí),流場(chǎng)與聲場(chǎng)耦聯(lián)且相互加強(qiáng),便會(huì)出現(xiàn)聲共振的現(xiàn)象。在一般情況下,只產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲,對(duì)管道不會(huì)造成多大損害。但若旋渦脫落頻率同時(shí)與聲頻以及管道的固有頻率合拍,則管道很快遭到破壞。

1. 旋渦脫落激振:旋渦型流體振動(dòng)流量計(jì)

旋渦型流體振動(dòng)流量計(jì)是利用流體在特定流道條件下流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋渦振蕩,而且其振蕩頻率與流速成比例這種規(guī)律來測(cè)量流量的流量計(jì)?；谛郎u流體振蕩原理的流量計(jì)主要有兩種:渦街流量計(jì)和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。這類的流量計(jì)兼有無運(yùn)動(dòng)部件,脈沖數(shù)字輸出,計(jì)量不受被測(cè)流體性質(zhì)影響,測(cè)量準(zhǔn)確度較高,量程比寬,無零點(diǎn)漂移,壓力損失小,便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是測(cè)量氣體,液體,蒸汽,混合型和腐蝕性流體的理想的流量計(jì)。以流場(chǎng)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的相結(jié)合的方法,系統(tǒng)地研究旋渦型流體振動(dòng)流量計(jì)的流體振動(dòng)特性。

2. 湍流抖振:數(shù)值模擬

對(duì)某一高速泵系統(tǒng)的誘導(dǎo)輪葉片在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)裂紋斷裂現(xiàn)象,利用三維Navier-Stokes方程和RNG湍流模型,并在轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件間采用滑移網(wǎng)格技術(shù)建立交互界面,對(duì)高速泵內(nèi)多級(jí)動(dòng)靜干擾引起的三維非定常湍流進(jìn)行計(jì)算,得到誘導(dǎo)輪內(nèi)部流體壓力脈動(dòng)的主要特征。在各靜止與旋轉(zhuǎn)部件間利用滑移網(wǎng)格技術(shù)引入交互界面,將運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格與靜止的網(wǎng)格有機(jī)地聯(lián)系起來?；瑒?dòng)網(wǎng)格模型可使在交界面兩側(cè)的網(wǎng)格相互滑動(dòng),而不要求交界面兩側(cè)的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)相互重合。

3. 流體彈性不穩(wěn)定性:實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合

根據(jù)適宜有限元模型,采用流固耦合的計(jì)算方法模擬管束流體彈性不穩(wěn)定性的發(fā)生過程,以及固有頻率對(duì)臨界流速的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)并建立一套研究流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)研究管束流體彈性不穩(wěn)定性的產(chǎn)生過程和振動(dòng)規(guī)律。并將有限元模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

4. 聲共振:試驗(yàn)方法

聲共振的必要條件是聲駐波的頻率必須與激振頻率一致。但這并非是充分條件。因?yàn)榧词節(jié)M足了這一條件,仍然有可能不發(fā)生聲共振。所以還要滿足第二個(gè)條件,即要求系統(tǒng)有足夠高的激振能量克服聲阻尼。

聲共振設(shè)計(jì)步驟:

第一步:收集數(shù)據(jù),包括管道外徑d,節(jié)徑比T/d與L/d,管道排列形式,直徑D,通過管束的壓力降ΔP,管程氣體的聲速C與實(shí)際聲速Ce,管間隙處的流速V等。

第二步:計(jì)算聲頻fa。

第三步:計(jì)算旋渦脫落頻率fs。

第四步:計(jì)算共振時(shí)的聲壓級(jí)。

第五步:必要的防振措施。

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