振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。     

壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响

研究了不同壳间连接介质的加筋双层壳的振动声辐射特性.基于Flügge壳体理论和Helmholtz波动方程,求解了双壳体声-流体-结构耦合方程,计算了有限长双层壳体在径向点激励下的声功率和振动速度级.结果表明,水层的耦合作用随频率的增高而降低,托板的耦合作用随频率的增高而增加,托板在内、外壳的振动传递中起着较大的作用.为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了阻尼托板结构,即在托板上添加阻尼材料,对含阻尼托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究.结果表明,在中高频段,阻尼有效抑制了振动能量的传递,壳体的辐射声压明显降低,这对水下结构的减振降噪设计具有重要的参考意义.     

双层圆柱壳振动传递及近场声辐射特性研究

水下加筋圆柱壳体振动和声辐射是近年来研究的一个热点问题。文章从实验和数值计算两个方面,对水下加筋双层圆柱壳的振动传递及声辐射进行了研究。实验模型表面敷设了隔声去耦材料,分为四种工况:双壳全敷设、内全敷设、外全敷设、外部分敷设,对单频激振时内外壳体间的振动传递以及各工况下的近场声压进行了分析。结果表明,托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用,内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射最有效。为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了复合托板结构,即在托板上添加方钢结构,并对含复合托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究,表明方钢在中高频段能有效降低壳体的振动及声辐射。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

振荡流作用下受约束的悬臂输流管的分岔特性

引入三次方非线性的Dirac delta函数研究约束条件下悬臂输流管中的分岔特性。输流管内流体因振荡流作用而产生自激振动,是分岔与混沌运动的原因。通过迦辽金截断方法使系统变为标准的有限低维离散的系统。运用龙格库塔数值仿真的方法求解低维系统,获得关于振荡流作用下受约束的悬臂输流管的分岔特性。给出具体的数值算例,研究流速及振荡流参数的分岔影响。     

流体诱导弹性管束振动响应数值分析

基于流固耦合问题的弱耦合法,研究弹性管束不同流速的壳程或/和管程流体诱导下的振动响应。研究表明,流体诱导振动幅值随壳程或/和管程流速的增加而增加。与相同管程流速条件相比,壳程流体引起的振幅较大。随壳程流速增加监测点振动频率增加;随管程流速增加监测点振动频率基本不变。壳、管程流体耦合诱导的振动位移曲线与仅壳程流体诱导的振动位移曲线类似,说明弹性管束工作过程中的振动主要由壳程流体诱导。流体诱导的振动频率接近管束第一阶固有频率时,监测点在y,z方向振幅逐渐趋于峰值。流体诱导弹性管束的振动主要表现为面内振动。     

壳间连接形式对双层壳声辐射性能的影响

研究流场中受径向点激励的有限长双层圆柱壳壳间用实肋板连接或用托板连接对其振动和声辐射性能的影响。壳体的振动用Flügge壳体方程描述,将加强构件等价为对内外壳体的支持力,实肋板作用可以等价为周向、轴向和径向三个方向的力和轴向弯矩作用到壳体上。托板近似简化为拉压杆件进行计算,并推导了托板的动反力公式,然后将其引入壳体振动方程,最后求解双壳体声-流体-结构耦合方程,计算结果用辐射声功率、表面振动均方速度级和辐射效率的形式表示。在数值分析部分,讨论了壳间连接型式变化对双层圆柱壳的声辐射性能的影响,分析了托板和实肋板的差别。得出结论:壳间连接越紧密,对应的双层加筋圆柱壳的辐射声功率越高。     

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。     

双层圆柱壳舷间声通道对壳体声振性能的影响

针对水下航行器壳体辐射噪声问题较大的现状,将其简化为加肋双层圆柱壳结构,采用AML自动匹配声学辐射边界条件技术,考虑内外壳体与舷间/舷外流体之间的耦合,建立了含有舷间流体的双层圆柱壳模型,研究分析了有限元声振耦合法与附加质量法的差异,进而分析了舷间/舷外流体负载、舷间介质及托板对圆柱壳振声性能的影响规律。结果表明:基于AML技术的声振耦合方法对研究水下双层圆柱壳的声振性能更有效;舷间/舷外不同流体负载对结构声振性能影响较大,水的负载效果明显高于空气,低频段起到抑制振动、削减共振峰的效果,而高频段则加大了耦合作用,提高了结构振动响应及辐射效率;在150Hz以下的低频段,舷间为空气时的托板,对结构的振动和声辐射影响较大。     

离心泵作透平流体诱发外场噪声特性及贡献分析

以某离心泵作透平为研究对象,对流体诱发的外场噪声特性进行了数值计算和试验研究。在典型流量下,采用雷诺时均方法获取壁面偶极子声源,并利用FEM/AML方法求解出叶轮和壳体偶极子源作用的流动噪声,基于声振耦合法计算出流体激励结构振动产生的外场流激噪声,分析不同性质噪声源的频谱特性,同时评估外场声源在各个频段下的贡献量。借助模态试验对透平壳体结构的模态参数进行了识别。结果表明,计算与试验振型近似,固有频率平均相对误差小于4.60%。结构的影响使得外场五阶叶频处声压最高,二阶叶频处次之。壳体偶极子作用的流激噪声对外场噪声的贡献最大,其次是壳体偶极子作用的流动噪声,叶轮偶极子作用的流激噪声对外场噪声贡献最小。研究结果为低噪声叶轮机械设计提供了一定的参考。     

Vibration of a single microcapsule with a hard plastic shell in an acoustic standing wave field

Observation techniques for measuring the small vibration of a single microcapsule of tens of nanometers in an acoustic standing wave field are discussed. First, simultaneous optical observation of a microbubble vibration by two methods is investigated, using a high-speed video camera, which permits two-dimensional observation of the bubble vibration, and a laser Doppler vibrometer (LDV), which can observe small bubble vibration amplitudes at high frequency. Bubbles of tens of micrometers size were trapped at the antinode of an acoustic standing wave generated in an observational cell. Bubble vibration at 27 kHz could be observed and the experimental results for the two methods showed good agreement. The radial vibration of microcapsules with a hard plastic shell was observed using the LDV and the measurement of the capsule vibration with radial oscillation amplitude of tens of nanometers was successful. The acoustic radiation force acting on microcapsules in the acoustic standing wave was measured from the trapped position of the standing wave and the radial oscillation amplitude of the capsules was estimated from the theoretical equation of the acoustic radiation force, giving results in good agreement with the LDV measurements. The radial oscillation amplitude of a capsule was found to be proportional to the amplitude of the driving sound pressure. A larger expansion ratio was observed for capsules closer to the resonance condition under the same driving sound pressure and frequency.     

两端用圆板封口的环肋柱壳振动声辐射性能分析

研究两端用圆板封口的环肋圆柱壳结构在流场中的振动声辐射特性,着重分析了由环肋圆柱壳和端部圆板所围空腔的内部声场对整个系统结构振动和声辐射的影响.基于扩展的Rayleigh-Ritz法,利用Hamilton变分原理推导出圆柱壳与圆板的耦合振动方程.考虑了静水压力的影响,环肋圆柱壳与端部圆板之间采用二自由度弹簧模拟弹性连接的等效刚度.环肋圆柱壳声辐射的研究中,用Helmholtz波动方程和流固交界面上的速度相容条件求得壳体表面辐射声压的表达式,该表达式对有限长圆柱壳进行Fourier积分变换得到壳体外表面辐射声压的解;用Green函数法来求解环肋圆柱壳和端板所围空腔的内部压力场.     

波纹管壳结构中振动波的传播

研究了波纹管壳结构中的振动波。运用摄动方法与结构振动的波动方法得到了波纹管结构波动解的形式;在此基础上考察了振动波的频散特性。结果表明：摄动波是以传播波和衰减驻波形式存在;研究了振动波通过圆柱壳－波纹壳不连续截面时的传播特点,从频散特性角度对弯曲波传播进行了解释。本文为工程实际中波纹管接头的降噪预报提供了一种理论方法。     

基于气流激振的离心式压缩机管道破坏机理研究

大型石化压缩机组中,管道易产生气流激振作用下的疲劳破坏。从气流激振的产生与作用机理进行分析,研究管道疲劳破坏的主要来源-声共振。采用实验室的管道声腔进行仿真分析,应用LMS仿真软件有限元法对管道内部的声模态进行计算,获取其特征频率,并进行实验测试分析,当叶片的通过频率与管道声模态频率一致时将产生声共振,振动将明显增加,揭示了声共振造成的管道疲劳破坏机理。在此基础上,结合实际大型离心式压缩机组管道振动控制的实例,证明了此方法的有效性,为大型离心式压缩机组管道的高周疲劳破坏抑制提供依据。     

Optomechanics with silicon nanowires by harnessing confined electromagnetic modes

The optomechanical coupling that emerges in an optical cavity in which one of the mirrors is a mechanical resonator has allowed sub-Kelvin cooling with the prospect of observing quantum phenomena and self-sustained oscillators with very high spectral purity. Both applications clearly benefit from the use of the smallest possible mechanical resonator. Unfortunately, the optomechanical coupling largely decays when the size of the mechanical system is below the light wavelength. Here, we propose to exploit the optical resonances associated to the light confinement in subwavelength structures to circumvent this limitation, efficiently extending optomechanics to nanoscale objects. We demonstrate this mechanism with suspended silicon nanowires. We are able to optically cool the mechanical vibration of the nanowires from room temperature to 30-40 K or to obtain regenerative mechanical oscillation with a frequency stability of about one part per million. The reported optomechanical phenomena can be exploited for developing cost-optimized mass sensors with sensitivities in the zeptogram range.     

Chaotic Third Sound Resonances

There are three independent phenomena that compete to determine the line shapes of third sound resonances in a circular cavity. First, anharmonic terms in the hydrodynamic equations of motion lead to the usual hysteresis on a mugti-valued response function. Second, wave coupling to vortices pinned in the film modify the resonant frequency as changes in the persistent current are induced. Finally, nonlinear dissipation can lead to saturation. The first two of these have been observed to resugt in continuous (not just transient) temporal behavior of the resonance amplitude with a fixed drive. Both cyclical and chaotic behaviors have been observed. The effects are dependent on the ability of the driven wave to either accelerate or decelerate the persistent current onto different amplitude branches of the mugti-valued resonance.     

A piezoelectric-sound-resonance cavity for hydrogen gas detection

A new concept for hydrogen gas (H/sub 2/) detection has been developed. This concept is based on a piezoelectric-sound-resonance cavity (PSRC). Detection uses sound resonance and the acoustic property differences of gases as a sensing mechanism in which there is a significant difference in the sound velocity and acoustic impedance between H/sub 2/ and air. The PSRC sensor consists of two thin piezoelectric discs, separated by a small cavity. One disc excites a weak acoustic standing wave in the cavity, and the second senses the wave by monitoring the acoustic impedance characteristics of the cavity. Changes in H/sub 2/ concentration result in a shift of the sound resonance state. Investigations of a PSRC prototype have demonstrated a sensitivity limit of <10 ppm, a fast response time /spl sim/1 second, and a signal (phase and voltage) in proportion to the change in H/sub 2/ concentration (n) over the range of 10/sup -5/ < n < 0.2. These performance characteristics are far superior to those of other methods.     

固体火箭发动机喷管阻尼数值计算方法及规律研究

从声学角度出发,参考稳态波衰减法,综合考虑喷管辐射损失及对流损失,建立固体火箭发动机喷管阻尼声能共振数值计算方法,通过与阻抗管法测量的试验结果对比验证仿真方法,并探究喷管喉径、监测点位置、声源强度及平均压力对喷管阻尼的影响,结果表明:数值计算结果与试验结果吻合较好,表明该研究建立的仿真方法有效;喷管阻尼随喉径的增大而增大,进而使声腔内形成稳定驻波时的压力振幅降低。传声特性分析结果表明:喷管喉径增大,声功率透射系数提高,使喷管阻尼增加;监测点位置及声源强度不会影响喷管阻尼大小,但会影响压力振幅大小;喷管阻尼及压力振幅均与平均压力大小无关。     

强夯施工对塑性混凝土防渗墙的振动测试分析

提出强夯施工时塑性混凝土防渗墙的振动测试方案。试夯数据表明,加速度控制指标0.1g比速度控制指标5cm/s更加严格;给出5个不同能级对应第一、二遍点夯的安全保护范围。基于Hilbert-Huang Transform信号方法的时频分析可知,不同夯击能级引起塑性混凝土防渗墙墙体测点的振动主频均小于20Hz;强夯施工对埋深仅为5m的塑性混凝土防渗墙的振动影响,瑞利波占主导地位,表现为墙体上端率先振动,且振动强度最大;塑性混凝土防渗墙沿墙高的垂向应力分布比较均匀;瑞利波由于受地基分层的频散影响,当主频降低时,波速和波长增加,最大瞬时能量和主频对应能量小幅增加     

液压管道粘性脉动流的共振问题

本文对上游端是正弦脉动,下游端是油腔的液压管道粘性脉动流的共振问题,作为一维非定常流动,利用解析的方法进行了数学上的分析.将两个自变量的一阶拟线性双曲型偏微分方程组的初边值问题线性化,近似地取小粘性管流的共振频率为其固有频率,用驻波法建立了计算共振频率和共振点位置的公式,并应用这些公式作了计算,其结果与实验数据颇为符合.此外,文中还给出了含粘性项的液压计算公式,由它可以分析粘性项对液压的影响.