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。     

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。     

圆柱形谐振管内非线性驻波的有限体积计算方法

提出一种用于求解圆柱形谐振管内非线性驻波的有限体积计算方法。谐振管内初始为自由状态的流体被整体谐振激励,当激励频率与谐振管内声场固有频率一致时,谐振管内将产生非线性驻波。建立整体振动条件下谐振管内瞬态可压缩热粘性牛顿流体的一维Navier-Stokes模型方程的积分方程;在时域上,通过SIMPLEC方法(以压力为基础的有限体积法)和交错网格技术推导出离散化代数方程组,并进行求解。当谐振管内的流体为R-12气体,在整体振动的条件下,利用提出的方法对谐振管内的非线性驻波进行求解,通过与现有文献中伽辽金方法的计算结果进行对比,所得到的非线性驻波声压在波形和幅值方面都与这些结果非常吻合,从而验证了该方法的可行性。得到谐振管左端处的绝对压力波形、温度波形和声压频谱响应等物理特性分布;同时得到谐振管内不同位置处的速度变化,发现在谐振管两端出现了速度钉状波形;有限体积计算方法为解决强声密封的非线性驻波的数值计算奠定了良好基础。     

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。     

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"。     

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。     

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。     

谐振式硅微结构压力传感器非线性振动特性研究

本文研究了谐振式硅微结构压力传感器在单频激励和双频激励情况下的非线性振动特性。利用多尺度法研究运动方程中三次非线性项对传感器频率特性的影响规律，提出了改善谐振式硅微结构传感器特性的方法以及在实现闭环自激系统时应采取的措施。     

具有阻抗匹配功能的磁致伸缩换能器驱动电源

磁致伸缩换能器是以磁致伸缩材料为驱动元件的特种电机。其工作电流和输出位移、输出力受磁致伸缩材料的非线性和温度、负载等因素的影响较大。为优化工作电流波形、实现频率闭环,以串联谐振电路为基础,设计了具有阻抗匹配功能的驱动电源,并进行仿真与实验研究,结果显示该电源能够使换能器保持谐振工作状态,同时具有较好的正弦电流波形。     

驻波型超声波电机及其驱动系统的实验研究

根据振动理论和单相驱动驻波超声波电机的运行机理，进行了该类型超声波电机样机和驱动系统的设计。通过实验，分析了谐振频率、输入电压和预压力时电机特性的影响。     

小直径石英压力计的设计与应用

介绍一种新型油井环空测量仪器以及它的主要组成和性能。针对石英谐振传感器存在的压力灵敏度随环境温度变化、非线性等问题，分析并建立了对其实现综合补偿的方程式及方法，使该压力计在0-100℃范围内的测试精度达到0．05％。并介绍了现场应用情况。     

非线性超声谐振方法及在结垢检测中的应用研究

针对压力容器和管道安全运行需要,发展了一种非线性超声谐振结垢检测方法。从理论上分析非线性细观弹性材料因迟滞效应引起的非线性弹性本构关系。研究发现,随着超声波激励幅值的增加,迟滞导致的非线性效应主要表现为超声波谐振频率向低频偏移和谐振频谱品质因数的变化。对涂有不同厚度模拟结垢的板试件进行非线性超声谐振检测试验,研究了激励电压水平对基波及二次谐波谐振频谱的影响规律,提出基于二次谐波弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数的结垢层厚度表征方法。在此基础上,将非线性超声谐振检测方法应用于实际工程中炉管结垢层检测,结果表明,利用二次谐波的弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数能较好反映炉管结垢状况。研究工作为实际工程中炉管结垢层检测提供了新的思路和方法。     

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。     

谐振膜压力敏感元件的频率特性

本文讨论了用于谐振压力传感器的谐振膜的频率特性。文中导出了谐振膜的非线性运动微分方程式(式中含有弯曲应力、中面张力和浅壳的影响),并用变分法求得近似解。求得的理论压力-频率特性与实验结果有较好的符合。     

硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究

硅微谐振压力传感器检测信号的幅值稳定性与频率跟踪性对其性能至关重要,但目前幅值控制与频率跟踪方法的非线性特征会造成谐振器振动频率的非线性变化,限制了传感器综合精度的进一步提升。为降低谐振器振动频率非线性变化的影响,基于自动增益控制(Automatic gain control,AGC)的线性化分析理论,建立高Q值硅微谐振压力传感器自动增益控制和相位补偿模型,分析AGC幅值控制和频率跟踪线性化的控制特性,以及相位补偿对闭环控制性能的影响。基于自动增益控制(AGC)的自激驱动被证实可使谐振器稳定工作于谐振频率,且保持幅值稳定,通过Simulink/PSpice建模仿真,验证非线性系统线性化分析的准确性。同时基于自动增益控制与相位补偿模型设计与制作的硅谐振压力传感器控制电路,经测试可使整表频率稳定性优于±0.05 Hz@采样周期5 ms,综合精度优于±0.02%FS,实现自动增益控制在谐振压力传感器的工程化应用,解决了谐振器频率跟踪非线性引起的传感器性能下降问题,可广泛应用于高Q值谐振器闭环控制。     

电液谐振疲劳试验新方法

研究2D高频转阀控制液压缸实现谐振疲劳试验新方法。提出2D高频转阀控制单出杆液压缸谐振疲劳试验方案,2D高频转阀阀芯可以双自由度运动,阀芯旋转运动可以控制系统激振频率,阀芯轴向滑动可以控制系统输出载荷力幅值,液压缸无杆腔初始容积变化可以控制系统谐振频率。建立2D高频转阀、单出杆液压缸和阀控缸系统的数学模型,建立阀控缸系统的Simulink非线性仿真模型,仿真研究液压缸无杆腔定初始容积时阻尼对系统输出载荷力幅频特性、相频特性和系统流量的影响,及谐振工况时载荷力波形失真度和载荷力幅值控制方法。试验结果验证了电液谐振疲劳试验新方法的可行性。该方案能有效提高电液疲劳试验的谐振频率,拓展电液高频疲劳试验机在工程领域的应用范围。     

介质隔离高精度 MEMS 谐振式压力传感器

为满足液体、气体多种介质中高精度压力测量要求,本文设计了一种介质隔离的高精度微机械电子系统(MEMS)谐振式压力传感器。为降低充油封装过程中压力传递损耗以及非线性问题,本文对波纹膜片的结构参数进行了仿真优化并确定了适合传感器芯体的膜片参数。采用MEMS加工工艺和真空微量充灌方法,完成了MEMS谐振式压力传感器芯体制作与充油封装。利用双谐振器压力、温度多参数协同敏感方法,在不外加温度传感器的条件下实现了温度自补偿。测试表明,封装后的传感器在-55℃～85℃工作温度范围内,准确度优于±0.01%FS、迟滞性误差优于0.006%FS、非线性误差优于0.003%FS、重复性误差优于0.008%FS。     

超声变幅杆的设计及有限元分析

超声变幅杆在超声加工中的应用日益广泛。结合超声变幅杆理论,采用ANSYS10．0对变幅杆进行了模态分析和参数修正,在此基础土,设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、谐振频率为60kHz的半波长圆锥形变幅杆,并进行了相关实验。实验结果表明,利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆,其谐振频率与模态分析值非常接近,为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。     

导引头伺服机构的结构非线性动力学特性研究

基于Hertz接触理论,建立了表达角接触球轴承非线性刚度的二自由度矩阵模型;以导引头伺服机构为对象,建立了导引头陀螺装配结构六自由度非线性运动微分方程;借用经典数值算法的思想,提出了一种求解陀螺装配结构六自由度非线性运动微分方程的四阶Runge-Kutta算法,并对陀螺支架的非线性动力学特性进行了虚拟扫频分析。研究发现,由于角接触球轴承接触刚度的非线性,陀螺支架的谐振峰分布在扫频的所有频率范围(0～500Hz)内,而增大装配预紧力却可以提高陀螺装配结构的谐振频率,减少谐振峰的出现频次,故工程上可通过调节装配预紧力来抑制谐振峰值。     

基于压电叠堆的液体高频正弦压力激励源研制

利用压电叠堆驱动封闭管腔中液体介质进行正弦运动,以实现液压管腔中压力的正弦变化。依据压电叠堆的压电效应和管腔谐振原理,设计了单压电叠堆和双压电叠堆两种结构形式的高频正弦压力激励源,并对两种装置进行了对比。研究结果表明：双压电叠堆式装置产生正弦压力的方式新颖,工作频率高达30 kHz,产生的正弦压力幅值大,正弦波形失真度小,且在同一频率下可调节正弦压力幅值与波形,可满足压力传感器和测试系统对动态压力的计量与校准需求。