涡激振动问题的有限元计算研究

研究涡激振动的有限元计算。应用条带假设和在锁定响应时涡激作用力的Scanlan第二经验模型可以实现涡激作用力在时间和空间上的离散化;由于涡脱落激励中复杂的结构与尾流相互作用,使振动方程具有非线性的时间与频率混合项,为此本文推导了时频域混合变换的AFT方法计算涡激振动的时程响应。与传统的连续模型和随机振动理论计算涡激响应方法相比,具有更高的适应性。     

含不平衡质量弹性边界约束旋转梁结构振动特性分析

采用改进傅里叶级数方法建立了含不平衡集中质量、轴向载荷的弹性边界约束条件Rayleigh旋转梁横向振动特性分析模型。首先列出转轴-支承系统的动能、势能矩阵方程组,再通过第二类拉格朗日方程推导出转轴系统的运动方程组,最后以改进傅里叶级数作为方程的假设形态进行计算求解。研究了转轴两端支承平动刚度、旋转刚度以及轴向载荷对转轴正反向涡动临界转速的影响,分析了转轴中存在的不平衡集中质量对转轴正反向涡动频率以及正反向临界转速的影响,探究了转轴幅频特性曲线随不平衡集中质量大小、轴向作用位置以及转轴两端支承刚度变化的特性。     

确定“零涡”向心透平设计方案的一种方法

本文作者从利用试凑的方法来确定透平的设计方案,往往需要很长的时间出发,根据零涡方案的特点拟订了一种选择零涡或近零涡设计方案的快速 简便计算法,它适用于径向－轴流式向心透平,也适用于带后弯叶片的径向向心透平;并指出零涡向心透平的轮周效率受叶轮结构的限制,不宜选得太高,并建议采用适当的正尾旋。文章论述了零涡方案中轮周效率ηu和U1、ρ、α1等参数的关系,零涡条件下叶轮结构参数D2、β2之间的关系,近零涡向心透平设计方案的选择方法,最后给出了一个数值计算示的例。图4,参考文献6。     

轴向流作用下柔性简支梁静态与动态稳定性分析

对于一个轴向流作用下的柔性简支梁流固耦合模型,基于一定的假设,建立了系统的流固耦合非线性动力学方程,并运用参数无量纲化、假设模态、高阶模态截断等方法导出了有限自由度无量纲状态空间方程。根据静态分岔理论,对系统线性化扰动方程的Jacobi系数矩阵特征多项式进行了分析,理论上求得系统发生静态分岔时的临界流速。数值计算结果表明当流速大于临界流速时,系统发生静态失稳,在外界扰动作用下,梁随机地向上或向下弯曲。基于动态Hopf分岔理论与相关的实系数多项式特征根代数判据,证明了系统不会出现振颤失稳。     

时速400 km高速列车转向架区域气动噪声控制

气动降噪控制对高速列车运行环保性和乘坐舒适性至关重要.以某时速400 km高速列车1∶8缩比模型为研究对象,建立了基于转向架舱前缘、侧缘、后缘3种策略的6种气动降噪控制方案.通过大涡模拟得到非定常流场和气动噪声源项,采用FW-H方程和声扰动方程计算远场和近场噪声,得到不同控制方案对远场噪声、近场噪声的控制效果和影响频域...     

圆柱绕流噪声预报的流场与声场模拟方法对比研究

以三维圆柱为研究对象,使用Lighthill声类比法研究其绕流发声问题。第一步进行流场计算,分别用大涡模拟(LES)、脱体涡模拟(DES)和瞬态雷诺平均法(URANS)模拟声源区流场,通过对比流场压力和涡量等参数,据此选取合适的流场仿真方法;第二步用基于Lighthill方程FW-H积分法和边界元法预报远场直发声,通过和Revell试验结果比较,分析各种计算方法差别。研究表明:进行流场仿真时LES计算结果最好,IDDES法在保证计算精度条件下能有效减少流场网格数量,URANS法误差很大;进行辐射噪声预报时,FW-H积分法和边界元法基本相同。     

离心泵蜗壳内非定常流动特性

基于修正的RNG k-ε湍流模型和输运方程空化模型,对离心泵内部非空化和空化的非定常流动进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性。在离心泵蜗壳内布置了5个监测点,分析了蜗壳内非空化和空化工况时流动特性。结果表明:离心泵非空化和临界空化工况下,蜗壳内压力脉动的主频为叶片通过频率145 Hz或290 Hz,而在充分发展空化工况下,压力脉动的主频非常低,可能原因是空泡剧烈的脱落及溃灭引起的。三种工况下,离心泵蜗壳第2断面附近的压力脉动最大幅值均远大于其它监测点,原因是此处存在较强的二次流,出现了两个非对称反向旋涡,两个旋涡的涡心位置、形状、强度随时间不断变化,对流动产生较强扰动,诱发强烈的压力脉动。     

基于k-kL两方程湍流模式的尺度自适应模拟

k-kL两方程模式是一种对湍动能积分尺度输运方程模化的新型湍流模式,具有尺度自适应模拟的特性,能够在统一的表达形式下对流动进行定常和非定常数值模拟。引入可实现性修正,在二维零压力梯度平板边界层中验证其影响,进而选择典型流动的标准算例对这一模式进行较为全面的评估。通过三维CRM翼身组合体绕流算例验证了该模式应用于工程问题的实用性,并考察了网格密度对计算精度的影响。在周期山的三维非定常计算中,k-kL模式能够较好分辨流场中丰富的涡结构,准确捕捉流动大规模分离区的位置和形状,统计平均的表面摩擦力分布和速度场与实验和大涡模拟结果符合良好。上述计算展示了k-kL两方程模式在定常和非定常计算中的流动预测能力和工程应用潜力。     

大跨钢桁拱桥局部杆件动力特性及涡振发生风速的影响因素研究

大跨钢桁拱桥的部分杆件较为细长,对风的作用较为敏感。为考察大跨钢桁拱桥中局部杆件的涡振发生风速,以沿海某大跨度钢桁拱桥为工程背景,基于有限元和计算流体动力学的方法,研究了典型细长杆件在全桥约束下的自振频率、截面气动特性与涡振发生风速。基于有限元方法,提出考虑了全桥约束、结构内力及节点板长度的大跨度钢桁拱桥"零密度"建模方法,对局部杆件的自振频率进行求解。基于计算流体动力学方法,对杆件截面的气动参数进行了计算,并对杆件涡振发生风速进行了分析与讨论。研究表明,使用"零密度"法建模能合理反应局部杆件在全桥约束下的动力特性,杆件约束条件、结构内力、节点板长度均会对自振频率和涡振发生风速产生明显影响,以往使用杆端固结等简单约束条件可能偏危险地高估了涡振发生风速。     

单壁碳纳米管量子点的传导电流与电流噪声谱

近来，碳纳米管尤其是单壁碳纳米管越来越引起人们的注意，并已经广泛应用于实践中。本文采用开放量子系统的研究方法，利用量子主方程给出了与扫描隧道显微镜耦合的单壁碳纳米管量子点的输运电流与电流噪声谱的一般性计算方法，并研究了强弛豫条件下输运电流的性质。     

质量偏心旋转机械整圈碰摩的稳定性及其Hopf分叉

针对仅考虑质量偏心的Ｊｅｆｃｏｔ转子碰摩的动力学方程,研究了整圈碰摩的稳定性,讨论了转、静件间摩擦系数对稳定性的影响;研究、发现了转子整圈碰摩存在Ｈｏｐｆ分叉现象,且是超临界分叉。通过对分叉解析解的研究,得出了分叉解的振幅及稳定性判据,并且将分叉解与动力学方程的数值解作了比较。     

动静件有干摩擦的转子系统动态特性分析

本文用动力学基本理论建立了转子和定子之间有干摩擦的转子系统动态特性分析的数学模型。对该模型的动态特性分析表明：这类问题的失稳运动在不同条件下可以是正进动,也可以是反进动;转子转速在临界转速以下时也会发生反进动失稳运动;摩擦力在系统未失稳时起推迟发生正进动失稳的作用,但是也有扩大反进动失稳转速范围的作用。     

不同粘弹减摆器连接的直升机地面共振分析

建立了粘弹减摆器不同连接形式时的旋翼／机体耦合动稳定性分析模型。旋翼／机体耦合动力学模型考虑了非定常空气动力和桨叶挥舞／摆振运动耦合。通过机体当量模型向机体瞬时转心的转换来计入地面运转时机体的滚转和俯仰运动。采用基于复模量的非线性VKS改进模型，建立叶间粘弹减摆器和普通连接粘弹减摆器的小扰动力矩方程。采用特征分析法计算了两种减摆器连接形式的直升机地面共振稳定性。工程实例分析结果表明，本文方法具有物理概念清晰、运用方便的特点。     

Boundary element analysis of wave-current interaction around a large structure

A numerical approach for wave-current interaction around a large structure is investigated, based on potential flow theory, linear waves and small current velocity approximation. The velocity potential in a wave-current coexisting field is separated into a steady current potential and an unsteady wave potential. The boundary element method was then employed to compute the unsteady wave potential with effects of both a uniform current and a large body taken into consideration. It is demonstrated that the steady current potential can be expressed as the sum of a uniform current and a steady disturbance due to the presence of the object. The variation of current velocity in the vicinity of the object is then calculated by using a surface vorticity boundary integral meethod. Boundary element analysis is also used for the numerical solutions of the surface vorticity method. Substituting both unsteady wave potential and current velocity into the first-order dynamic surface boundary condition, the water surface elevation around a large structure in a wave-current coexisting field can then be obtained. Comparisons of numerical predictions with experimental results ar also made; qualitative good agreements are obtained.     

汽轮机叶顶汽封泄漏涡诱导下的压力脉动研究

以某汽轮机级为研究对象,采用三维非定常数值模拟的方法,研究了动叶顶部汽封泄漏涡的涡动特性和泄漏涡影响下汽封腔室内的压力脉动规律。结果表明:叶顶汽封腔室内存在周向螺旋状涡与壁角涡组成的多尺度涡系,涡系的位置和影响范围会随时间经历复杂的变化。叶顶汽封腔室内的压力脉动频率中兼具叶轮旋转的周期性频率和溃散为小尺度涡结构后的高频率。间隙内的多尺度涡结构和动静叶间交替变化的压力场在汽封间隙内的传播是引起汽封腔室内周向压力不均的主要原因。     

An equation of turbulent motion in tubes

An equation of turbulent motion in a round cylindrical channel, which involves no empirical quantities, is proposed for the first time. A solution of this equation describes the average velocity profile in all regions of the channel cross section in the entire range of turbulent Reynolds numbers. The computational model is based on taking into account the internal distributed resistance created by a turbulent “vortex backfill.”     

Finite-element analysis of the rotor/stator contact in a ring-type ultrasonic motor

A way to understand mechanical characteristics of an ultrasonic motor is presented. First, the vibration mode of a stator is calculated using a finite-element method (FEM) code. The path of the elliptic motion of the stator's teeth is obtained. The computed vibration mode at the surface of the stator is compared with that measured by an electrooptical displacement transducer. Next, the contact condition of the rotor/stator is calculated. The displacement and velocity of the rotor/stator, the distortion of the stick/slip area, the rotational speed of the rotor, and the friction loss of the motor are obtained. The calculated rotor displacement and torque-rotational speed curve correspond closely to the experimentally measured ones. The internal loss of the rotor/stator and the loss of the supporting felt are measured. The total loss of these losses and the calculated friction loss agree with the measured total loss. The calculated and the measured efficiency of the motor also agree.     

振荡压气机叶栅叶片表面非定常响应以及气弹稳定性分析

发展并验证了一种适用于叶轮机内部非定常跨音流动诱导的叶片气弹问题的高效、准确的数值模拟方法。采用有限体积的多块结构化网格形式,多重网格方法加速收敛,隐式的双时间步时间推进,Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程。通过气动弹性标准算例10,叶片在高亚音和跨音流动下做弯曲振动,分析了流动状态、折合频率以及叶片间相位角对叶片表面非定常气动力响应以及叶栅气弹稳定性的影响。分析结果表明激波在此跨音振荡压气机叶栅中起失稳作用,叶片间相位角对气弹稳定性的影响在高折合频率下被加强。     

激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究

目的 研究激光粉末床熔融(LPBF)中成形腔内保护气的流动规律,获得气流速度脉动和旋涡等流场非稳态特征及其变化规律。方法 利用热线测速计测量腔内的瞬时速度,研究保护气的速度分布及其脉动特性;基于数值模拟方法探究腔内气流形成的旋涡情况,分析涡的分布及其旋转速度;利用烟雾示踪方法对保护气流场进行可视化处理,分析气流的运动过程。结果 腔内气流经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂运动过程,气流速度随时间的变化呈明显脉动特征,且气流脉动幅度受位置影响较大,进出风口的平面流速最大可达2.4 m/s,最小为0.25 m/s。同时,气速随平面高度的增大而逐渐减小;腔内存在以纵向大尺度旋涡为主、若干小尺度旋涡共同作用的涡流,由腔内边壁至中心,涡流切向速度呈先上升后下降的趋势,且随入口气速的增大而增大,在切向速度急剧降低的腔体角落、透镜等区域,易形成流动“死区”,导致烟尘颗粒聚集且难以排出,影响构件的高质量成形制造。结论 保护气在LPBF成形腔内形成了复杂的非稳态流动,并以剧烈的速度脉动和多尺度的涡流为典型特征,而针对非恒定的层流、成形腔结构的优化设计仍需进行更深入的研究。     

旋转机械动静碰摩机理研究

通过引入混沌理论对碰摩的非线性特征进行了理论分析及数值求解，研究不平衡力和转速等条件发生变化时，碰摩的发展历程。结果表明，随控制参数转速的变化，碰摩出现从稳定周期运动经过倍周期分叉到达混沌的特征。文中对某电厂200MW机组出现的碰摩故障进行了实际分析和理论对照，得到的一般规律和理论定性分析结果一致。