谐振管内非线性驻波的二维有限差分计算方法

谐振管内非线性驻波的数值计算方法是目前强声密封研究的关键技术。基于三个气体动力学方程推导得出一个关于无旋可压缩牛顿流体的非线性波动方程,并通过对非线性波动方程进行有限差分离散化处理,提出求解谐振管内非线性驻波的二维有限差分计算方法。通过边界条件的处理,使所推导的二维有限差分计算方法能够在整体谐振激励作用下计算谐振管内非线性驻波。在圆柱形谐振管内部填充Refrigerant-12作为工作媒质以及整体谐振激励的条件下,利用所提出的二维有限差分计算方法对圆柱形谐振管内的非线性驻波进行求解,并得到圆柱形谐振管内绝对压力波形、声压频谱响应以及谐振管内的声压空间分布。通过与现有仿真方法的计算结果和现有试验结果进行对比,所得到的计算结果无论从波形还是数值上都能与这些结果吻合,从而验证了该方法的可行性。该方法为强声密封的非线性驻波计算研究奠定了良好基础。     

谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法*

基于伪一维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和理想气体状态方程,并结合保持强稳定性的三阶Runge-Kutta格式和斜率限制器技术,构建一种整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法。分别对直圆柱形、指数形以及圆锥形谐振管内的非线性驻波进行数值仿真计算,通过与现有数值仿真结果对比,验证了本方法的正确性,并重现了已有试验中非线性驻波压力波形中的第二峰值。在直圆柱形和指数形谐振管内研究间断Galerkin方法的两种网格加密方式对于不同形状下谐振管内非线性驻波仿真计算的数值精度、消除数值振荡和准确捕捉激波的不同作用,以及不同CFL数对于数值精度的影响。在指数形谐振管内,通过与有限体积法不同网格数目下的数值仿真结果和计算时间对比,验证了本方法具有耗时短、效率高以及计算精度高的优点。在圆锥形谐振管内,研究不同流速下谐振管内压力和速度波形的变化,并发现随着流速的增加,谐振管小端处的压力幅值增加,大端处速度幅值也随之增加且速度波形中会产生激波。通过间断Galerkin方法分析研究几种谐振管内非线性驻波的各种物理属性,为谐振管形状优化提供了重要参考,也为实现谐振管内非线性驻波的工程应用奠定了良好的基础。     

变截面谐振管内驻波非线性研究

基于整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法,研究了圆锥形谐振管内非线性驻波稳态时的瞬态特性。在圆锥形谐振管中,能够获取到无冲击的非线性驻波,验证了本方法计算圆锥形谐振管内非线性驻波的正确性,并通过提高局部逼近阶N,改善了压力波形两端的数值振荡;研究了加速度幅值a0、频率f、初始压力P0对非线性驻波压力波形和谐振管内流体流速的影响,为实现谐振管内非线性驻波应用于强声密封提供了有益思考。     

谐振管内非线性驻波的二维间断Galerkin计算方法

基于柱坐标下的二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程、理想气体状态方程以及保强稳定的Runge-Kutta方法,提出了求解谐振管内非线性驻波的二维间断Galerkin计算方法。通过处理边界条件以及采取局部时间步长,利用所提出的二维间断Galerkin计算方法对圆柱形谐振管内非线性驻波进行求解,得到了谐振管内压力空间分布以及压力波形、速度波形、密度波形等物理特性,证明时间域、空间域内均产生激波,从而使压力幅值和密度幅值无法进一步提升;同时研究了激励加速度幅值对谐振管内非线性驻波压力波形及非稳态进程的影响。     

BTA深孔钻杆系统切削液液膜压力的分布特性

研究深孔钻杆系统中非线性流体力的分布特性。采用有限差分法求解非线性流体力控制方程,分析偏心率、长径比、涡动速度和振动速度对非线性流体力分布的影响。研究结果表明:非线性流体力随着偏心率的增大而增大,而随着长径比的增大变化不明显,尤其是对于大的长径比;随着正向涡动速度的增大,收敛区的非线性体力而增大,发散区的非线性流体力减小,而反向涡动速度对非线性体力的影响规律恰好相反;非线性流体力随着正向振动速度的增大而增大,随反向振动速度的增大而减小,此外,在最小间隙处的压力因振动速度的改变而出现极值,从而导致收敛区和发散区压力分布的反对称特性消失。     

热声制冷机谐振管形状对管内声场分布的影响

热声制冷机中谐振管截面的几何尺寸是比较重要的参数,因此通过建立各截面形状谐振管内三维声场模型,分析不同形状谐振管内声场的声压分布,对于提高热声制冷机的性能具有重要意义。利用声学有限元分析软件ACTRAN(学生版)与Ansys Workbench,分别对长度相同的圆柱形、圆锥形、渐缩变截面管、凹曲线回转体以及凸曲线回转体内声场进行分析。比较当入口口径与出口口径比例相同情况下,截面曲线变化对谐振管的活塞振动模态频率、声压幅值产生的影响,以达到实现提高活塞振动频率和声压幅值最大化的目的。结果表明:对于热声制冷机结构微型化的需求,在相同激励条件下采用圆锥形谐振管,活塞振动模态幅值最大,同时能产生较高声强。     

壁面边界温度对指数管内声场的影响

采用计算流体力学软件Fluent对10组不同壁面边界温度情况的谐振管的形状参数m=2.2型指数管内二维非线性声场进行了模拟研究,探索了壁面边界温度对指数管内声场的影响。研究分析了不同壁面边界温度下管内声压和压比的变化规律,发现管内声压最大和压比最大的情况分别出现在不同的壁面边界温度条件下,但当上、下壁面边界温度均为328K时,指数管封闭端能同时获得较大声压幅值和压比。     

超声电机减摩现象的仿真研究

基于商用有限元软件自动增量式非线性动力学分析（automatic dynamic incremental nonlinear analysis,简称ADINA）,对超声电机的减摩现象进行仿真研究,提出等效摩擦因数的概念。分别在驻波激励和行波激励下研究了超声电机启动响应过程的瞬时等效摩擦因数。通过仿真计算,得到了不同预压力、激励频率和电压情况下的稳态等效摩擦因数。当预压力较小时,驻波激励下的减摩效应强于行波激励;当预压力较大时,超声振动受到抑制,此时2种激励方式的减摩效应近乎一致。研究发现：激励频率越接近谐振频率,预压力越小、驱动电压越大,减摩效果就越显著;其中,激励频率和预压力的影响要大一些。本研究为超声电机减摩现象的研究与应用提供有益的帮助。     

感应式磁声成像声场正问题研究(二)——基于位移方程的声场模拟方法

感应式磁声成像是一种融合了传统电阻抗成像和超声成像的新的电阻抗成像技术。为了解决洛伦兹力在边界上的不连续性造成其散度存在奇异性的问题,本文针对导出的声压-速度耦合方程,通过消去声压变量,得到了声源为洛伦兹力的位移方程,从而不需对边界声源进行特殊处理。针对单层圆盘,分别应用位移方程和声压-速度耦合方程计算了声场波形,验证了新方法的可靠性。仿真结果表明,新方法较声压-速度耦合法计算效率高。分别采用两种不同激励源形式,利用位移法计算了声场分布,研究了不同激励对于声压波形的影响。本文的研究工作可以为实验平台的搭建和设计提供理论参考。     

基于Fluent的指数管内二维声流场特性研究

采用Fluent软件模拟研究了m=2.2的指数型热声谐振管内二维非线性声流场特性。通过与两种圆柱型直管的比较,验证了指数管具有提高声压和抑制高次谐波的能力,并对指数管内声场流场特性进行了分析。研究发现:指数管能显著提高管内压力,获得较大压比,能有效地抑制高次谐波;同时,指数管内声场的压力节点偏离了中心位置并存在可观的二次谐波,表现出非线性声振荡特征,并且流场中会发生"速度环形效应"。     

Numerical study of geometrical effects on the performance of an H-type cylindrical resonant photoacoustic cell

We have numerically studied the geometrical effects on the performance of an H-type cylindrical resonant photoacoustic cell, composed of one resonator and two symmetrical buffer cylinders, by performing simulations on the generation of acoustic waves in the cell. Here, the acoustic response (pressure), resonance frequency and quality factor are calculated for the cell performance, while the lengths and diameters of both resonator and buffer cylinders are considered for the geometrical parameters or dimensions. Our calculation solves linearized forms of the continuity equation, Navier-Stokes equation, energy equation, and equation of state using a finite element method under an assumption that the heat addition due to the laser passage and thus the variations in the velocity, pressure and temperature fields inside the cell are small enough. First, we performed a statistical analysis using a design of experiment method to evaluate the relative impacts of the cell dimensions on the acoustic response. Subsequently, we performed a parametric study to quantify the cell performance with the dimensional variations. Our results, along with the response surface methodology, provide guidance for a systematic design optimization of the cell for the best acoustic response. The approach in this study may be applied to the design of various types of resonant photoacoustic spectroscopy devices.     

两栖车两相绕流场的模拟与水上快速性分析

两栖车形体复杂,其水上绕流场和水上性能难于用传统手段进行预报,计算流体力学为解决这一问题开辟了新途径。以计算流体力学中广泛使用的雷诺时均纳维—斯托克斯方程为基本控制方程,采用切应力输运型 湍流模型结合流体体积分数法,进行两栖车水上两相绕流场的数值模拟。控制方程由有限体积法离散,压力速度耦合采用SIMPLE策略处理,代数方程由高斯—赛德尔法求解。阻力是快速性的主要指标,以其为判据对比试验与模拟得到的阻力结果,相对误差在5%左右。构建阻力—速度模型,模型的系统参数由最小二乘法进行辨识后得到结论,兴波阻力与航速的1.88次方成正比,摩擦阻力与航速的1.76次方成正比,粘压阻力与航速的3.54次方成正比。得到的系统模型为定性分析两栖车水上快速性提供了依据。     

钻井液与钻柱的耦合纵向振动分析

考虑钻井液与钻柱的泊松耦合,基于管内外钻井液与钻柱间的耦合纵向波动方程组,应用特征矢量法,研究地层切变模量和钻柱泊松比边界对钻柱内纵向应力波和钻井液纵向压力波传输的影响。在此基础上推导钻柱纵向振动的频率方程,引入等效质量分析管内外液动压力下的钻柱固有频率。理论求解表明,钻柱的泊松效应造成应力波与压力波耦合,且管内外不同介质间的波速耦合对压力波的影响明显,而对应力波的影响较弱,故耦合对泥浆脉冲传输的影响远大于钻柱声遥测。钻井液的液动压力增加纵振的惯性质量,导致固有频率与不考虑钻井液相比有较大下降。综合等效粘惯性质量、粘性阻尼系数和钻井液惯性力,建立多因素影响下的钻柱纵向耦合振动模型。     

Production of reproducible Rayleigh-Taylor instabilities

A device is described that excites individual modes of the standing wave spectrum for surface waves on water in a water tank of rectangular cross section. By synchronizing the downward acceleration of the tank with the standing wave on the water, Rayleigh-Taylor instabilities with reproducible characteristics are excited at the air-water interface. By controlling the width of the tank, the fluid motion is made to be largely two dimensional. The reproducibility of the phenomenon and the two-dimensional character of the flow make it possible, for the first time, to compare details of the wave profile with results predicted with the two-dimensional models of Emmons, Chang, and Watson.     

多孔挡板影响液体晃荡冲击压力特征的研究

船舶波浪中航行激励液舱内液体晃荡产生的激振力会导致液舱结构局部失效,从而影响船舶运动姿态,而多孔挡板可以有效避免该问题。构建了大振幅水平激励试验平台以探讨冲击压力对频率的响应规律,分析了多孔挡板在不同激励频率下冲击压力的时域和频域特征,并从挡板结构和涡旋强度方面解释冲击压力特征产生差异的原因。结果表明,大振幅激励下的波浪翻卷、破碎等非线性特征会导致共振频率偏离固有频率;多孔挡板能够降低液体晃荡冲击压力的峰值与峰宽,且在一阶固有频率处压力峰值降低率更显著;多孔挡板不改变幅频中的主频成分,时频谱中仅有能量较低的低频成分;多孔挡板的固体结构阻碍行进波中大部分流体运动,剩余小部分流体通过孔隙会产生涡旋运动,从而耗散能量,减缓流体对液舱壁面的冲击。     

Nonlinear acoustic diametral modes of pressure pulsations during flutter of rotor blades of a turbocompressor

Features of pressure pulsations of flow during flutter on the bending frequency of rotor blades of an axial turbocompressor, which occurs after incomplete resonance at the torsion frequency of blades with a harmonic of rotor speed, are investigated. The frequency spectrum of nonlinear acoustic diametral modes is predicted, based on Navier-Stokes equations ensemble-averaged. This makes it possible to identify characteristic series determined by the bending frequency of flutter and its second harmonic in the frequency spectrum for recording the pressure pulsation of flow during flutter along with harmonics of rotor speed. The occurrence the second harmonic of the bending frequency is the nonlinear reaction of flow, which locally limits the flutter amplitude in time.     

A novel flowrate measurement method for small-diameter pipeline based on bidirectional acoustic resonance

Traditional acoustic flowmeters are difficult to use in small-caliber, low-velocity piping systems. In this study, a novel method for fluid velocity measurement in small-diameter pipelines is developed based on the characteristic of acoustic resonance and standing wave tube. This method solves the problem of mutual interference between bidirectional acoustic loops, and realizes the simultaneous measurement of bidirectional resonant frequency. The tiny variation of flow velocity in a small-diameter pipeline can be sensitive by measuring the difference in bidirectional high-order resonance frequency. Experimental results show that the measurement system with a 15 mm diameter pipe has good linearity and high sensitivity to low velocity. Hence, this new method widens the application scope of acoustic flowmeters, especially in small-diameter, low-velocity piping systems.     

Simulation of vibroshock in two-dimensional systems with inherited properties

Strongly nonlinear standing waves in two-dimensional lattice systems??formed by mutually perpendicular strings and a system of absolutely hard point bodies for connecting the strings, say??are considered. Path limiters around the bodies in the lattice system generate vibrational shock. Operator and integral equations of motion are presented. Some types of periodic standing waves are constructed. In examples, the corresponding periodic motion is described.