CN112985759A - 一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，该实验平台由实验台、激振台、脉冲电机、法兰、水箱、摄像机等；法兰将横向的振动位移和轴向振动位移解耦只保留轴向的振动位移，水泵采用的是脉冲水泵保证提供稳定的脉冲流速，激振台和硬管相连部分通过特定设计的夹具连接，本发明中所需要所有实验装置都是实验中用到的基本实验装置，这就保证了实验既可以满足准确测量流速对于悬臂输流管的影响，又可以不浪费实验器材便于就地取材减小实验成本，本实验通过相对简单的实验装置来实现测量流速对于输流管道振型和振动频率的影响，并保证了结果的准确性。

Description

一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台

技术领域

本发明涉及流固耦合输流管道技术领域，尤其是涉及实验测得流速对于输流管振动的影响。

背景技术

流体管道系统在电力、石油、化工以及舰船、飞行器和日常生活中有着广泛应用。流体管道用来传递质量流、动量流、能量流，与此同时，管系中存在流体的压力脉动和管壁的结构振动，严重时可导致管道系统损坏。在流体管道中存在多种振动波，振动机理非常复杂。同时，振动及伴随噪声还导致环境污染。流体管道的振动，是一种典型的流固耦合振动。流固耦合振动又称流体-诱发振动。

由于管道的固有频率通常总是随着流体速度的提高而降低，在某些涉及以很高速度流动的液体，流体输送管道的稳定性的研究非常重要。譬如火箭发动机燃料馈给管路和水轮机的进水管，固有频率的降低是关系重大的。如果固有频率跌到低于某个限值，管道就容易共振或破坏。如果流体的速度增大到一定的数值，管道就变为不稳定的。

由于管道中存在多种振动波且相互间发生耦合，振动机理非常复杂。为了揭示流体管道的振动特性，了解流体压力脉动和管壁振动在管系中产生和传播的激励，以保证运行可靠性和设计阶段预测管道中的振动能量流，达到控制管道振动的目的。设计了实验平台，用于在实验室测量流速对于管道振动的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服背景技术中所提到的困难，目前用于测量流速对于悬臂输流管影响的实验装置比较大，设备笨重，实验设备花费高，里面一些零部件换起来不方便，多用于流体实验，而且目前还没有专门用于测量悬臂输流管的简单实验装置，本发明为了克服这种困难设计了一种相对简单的实验平台来测量流速对于振动频率的影响，本发明最大的优点是实验设备如果出现问题换起来非常方便，除此之外为了保证实验的准确性，本发明中还特别设计了一些零部件和夹具来达到预期的效果。

本发明为克服上述技术问题采用以下技术方案：

一种专门用于实验测量流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，主要由水箱(1)、水泵(2)、实验平台(8)、激振台(6)、法兰(5)和摄像机(9)组成；水箱(1)通过软管(7)与PVC硬管(4)连接，PVC硬管(4)安装在激振台(6)上，PVC硬管(4) 通过水管(3)、水泵(2)与水箱(1)连通组成循环结构；软管(7) 通过法兰(5)安装在实验平台(8)上；水箱(1)安装在实验平台 (8)内部。激振台(6)安装在实验平台(8)的顶部。摄像机(9) 正对水箱(1)中的软管(7)。所述软管(7)为不同内径的实验软管。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，最显著的特点是：整个实验平台都是一些常见的实验器材，但是对于整个实验系统来说他们是必不可少的，每一个实验的器材的作用不同，实验平台保证了振动的平稳性并提供了地基，法兰的作用是将横向的振动位移和轴向振动位移解耦只保留轴向的振动位移，水泵采用的是脉冲水泵保证提供稳定的脉冲流速，其次激振台和硬管相连部分通过特定设计的夹具连接，保证激振台给管道稳定的外激励输出。激振器的型号为JZK-5 型激振器，本实验装置中不能选择大功率的激振器，原因功率大的激振器在相同的情况下它的振幅较大而且本身重量很大会使得实验地基发生共振导致实验不准确，除此之外实验中测量的输流管的直径都比较小，小功率的激振器完全符合实验要求，通过设定激振器的频率在不同频率下扫频提供给外激励，除此之外实验中还有一个必不可少的实验装置就是摄像机，它的作用是拍摄输流管在不同流速下的振型，对于悬臂输流管的振动频率的测量我选择用的是加速度传感器，它的优点是可以实时测量悬臂输流管的振动情况，将加速度记录下来并且可以选择傅里叶变换得到不同阶的振动频率，此外可以还可以算出整个系统的传递函数，实验数据便于进行MATLAB实验仿真，本发明中所需要所有实验装置都是实验中用到的基本实验装置，这就保证了实验既可以满足准确测量流速对于悬臂输流管的影响，又可以不浪费实验器材便于就地取材减小实验成本，总之本实验通过相对简单的实验装置来实现测量流速对于输流管道振型和振动频率的影响，并保证了结果的准确性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的法兰结构简图。

图3是本发明的水箱结构简图。

图4是本发明的夹具结构简图。

图5是法兰和激振台尺寸图。

图1中，1-水箱，2-脉冲水泵，3-水管，4-PVC硬管，5-法兰， 6-激振台，7-软管，8-实验平台，9-照相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

实施例

如图1所示，本发明公开了一种专门用于实验测量流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，主要由水箱(1)、水泵(2)、实验平台(8)、激振台(6)、法兰(5)和摄像机(9)组成。

如图2至图4所示，所述为实验中重要的几个零部件包括法兰、水箱、夹具等。

具体测量流速对于悬臂输流管影响的实验流程如下：

第一次设定脉冲水泵(2)特定的压力值将水箱(1)中的水抽到软管(3)中，激振台通过特定的夹具给PVC管外激励，在PVC管右侧接头处连接不同的接头，这些接头是用于连接不同直径的软管，软管通过法兰件，法兰通过解耦横向振动和轴向振动，只保留外激励的轴向振动，通过照相机(9)拍摄软管的振型，在软管(7)末端贴上加速度传感器片，将末端的振动加速度传到处理器，通过傅里叶变换得到软管末端的位移图像，通过处理可以得到悬臂输流管的相图和阵型图。第二次重复第一次过程连续三次得到实验数据。之后重新设定脉冲水泵的压力值，重复三次，可以不同流速下软管的位移和振型图。

实验台根据法兰和激振台尺寸打孔固定，中间预留直径为50mm 的孔，用于实验中软管的振动实验。此外实验台的材质为不锈钢，尺寸为长1.5m、宽1.2m、高1.2m，材料选择不锈钢的原因是保证激振台施加外加激励时有平稳的工作台。

法兰的尺寸是定制的，法兰选择长径法兰，径高大概为激振台尺寸的2/3左右，不能太高否则软管可能振不起来，不能太低否则不会限制软管的横向振动。法兰在设备中最关键的作用是限制横向振动，保证给软管施加的是轴向的振动来确保施加轴向的位移

本发明中水箱的材质选择亚克力板，亚克力板的尺寸为长1m、宽0.8m、高0.8m，水箱底部有一个和脉冲电机匹配的一寸孔，用亚克力板的用处是照相机可以清楚拍摄水面上软管的振型。

以上结合附图对本发明的一个具体实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。任何在本发明的思路和原则之内所作的任何变动、替换等，均属于本发明的权利要求保护范畴。

Claims (3)

1.一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，其特征在于：

由水箱(1)、水泵(2)、实验平台(8)、激振台(6)、法兰(5)和摄像机(9)组成；水箱(1)通过软管(7)与PVC硬管(4)连接，PVC硬管(4)安装在激振台(6)上，PVC硬管(4)通过水管(3)、水泵(2)与水箱(1)连通组成循环结构；软管(7)通过法兰(5)安装在实验平台(8)上；水箱(1)安装在实验平台(8)内部；激振台(6)安装在实验平台(8)的顶部；摄像机(9)正对水箱(1)中的软管(7)；

试验过程如下：水泵(2)将水箱(1)中的水抽到软管(3)中，激振台(6)通过夹具给硬管(4)外激励，在硬管(4)侧部的接头处连接不同直径的接头，用于连接不同直径的软管(7)，软管(7)通过法兰(5)固定，法兰(5)通过解耦横向振动和轴向振动，只保留外激励的轴向振动，通过照相机(9)拍摄软管(7)的振型，在软管(7)末端贴上加速度传感器片，将末端的振动加速度传到处理器，通过傅里叶变换得到软管(7)末端的位移图像，通过处理得到悬臂输流管的相图和阵型图；连续三次得到实验数据；

重新设定水泵的压力值，再重复三次试验过程，不同流速下软管的位移和振型图。

2.根据权利要求1所述的一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，其特征在于：所述软管(7)为不同内径的实验软管。

3.根据权利要求1所述的一种基于流速对于悬臂输流管影响的流固耦合实验平台，其特征在于：水箱的材质选择亚克力板。

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