CN117405354B - 用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，包括如下步骤：S1，计算空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率；S2，计算导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率；S3，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率10%以上的拐角导流片方案能抑制拐角段导流片流激共振。本发明提供的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，能够保证空泡水洞全工况运行时导流片不发生流激共振，保证了空泡水洞的安全稳定运行和低噪声指标要求。所述用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法不仅可以用于空泡水洞，还能够用于结构类似的循环水槽、风洞以及带弯头管路等设备的导流片流激共振抑制，具有广泛的应用价值和效果。
Description
技术领域
本发明涉及水动力和振动噪声试验领域，尤其涉及一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法。
背景技术
空泡水洞是开展船舶、水下航行器、推进器等模型水动力和噪声性能试验研究的重要试验装置。空泡水洞中进行噪声测试的主要目的是为了获取被测噪声源在相应自由场条件下的声学特性，如声压级和频谱等。水洞背景噪声的高低直接影响测试信号的信噪比，因此，水洞的背景噪声越低越好。
空泡水洞的背景噪声主要包括机械噪声和水动力噪声。机械噪声主要包括驱动设备和辅助系统传递至水洞结构的噪声。水动力噪声包括流体直发声和流致振动噪声。流体直发声为流体运动过程中由于边界层流体紊乱，产生湍流脉动压力作为偶极子源向外辐射的噪声。流致振动噪声是将流体湍流脉动压力作为分布激励力作用在水洞结构上，激起结构振动从而辐射的噪声。
空泡水洞的结构复杂，主要由收缩段、试验段、扩散段、四个拐角段、拐角处导流片等几部分组成。空泡水洞拐角段导流片结构容易发生流激共振，当导流片尾缘涡脱落频率与导流片尾缘振型结构模态接近时，导流片发生流激共振。一旦拐角段发生流激共振将导致导流片结构剧烈振动，从而水洞洞体和试验段背景噪声存在强噪声线谱。导流片发生流激共振一方面噪声水洞背景噪声偏高，另一方面容易噪声导流片和水洞结构发生疲劳损坏，影响水洞的安全稳定运行。
当空泡水洞拐角段导流片方案确定后，导流片尾缘的模态频率确定，随着水洞运行速度的增加，当拐角段导流片尾缘涡脱落频率与导流片模态频率接近时，容易发生流激共振。
有鉴于此，有必要设计一种改进的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，包括如下步骤：
S1、计算空泡水洞最高运行流速工况下，导流片尾缘的最大涡脱落频率；
S2、计算不同导流片设计方案下，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率；
S3、通过减小空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率，或者，提高导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率，使得所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率的10%，实现在水洞全流速工况运行条件下导流片均不会发生流激共振。
作为本发明的进一步改进，步骤S1的计算过程为：
S11、采用大涡模拟湍流模型对导流片局部模型开展计算，首先获得水平来流条件下，导流片尾缘涡脱落频率；
S12、计算不同来流角度下导流片尾缘涡脱落频率，得到导流片尾缘涡脱落频率随来流角度的变化规律；
S13、根据空泡水洞拐角段位置实测或仿真速度分布情况，计算空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率f 1 。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，构建单片导流片二维通道来计算导流片尾缘涡脱落频率；
在导流片二维计算域中，导流片表面设置为无滑移壁面边界，导流片二维通道内外侧设置为滑移壁面边界，入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，计算带导流片拐角段的结构模态，提取被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率，其最小值为导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率。
作为本发明的进一步改进，步骤S2的具体计算过程为：
S21、对于两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，该结构的第一阶模态为导流片尾缘变形最大的弯曲模态；
S22、空泡水洞拐角段导流片简化为多个两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，选取整个拐角段模型整体计算拐角段导流片模态；
S23、提取被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率，其最小值为导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率f 2 。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率20%。
为实现上述发明目的，基于上述计算方法，本发明还提供了一种实现流激共振抑制的空泡水洞拐角段导流片，该导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率10%。
作为本发明的进一步改进，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率20%。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，能够保证空泡水洞全工况运行时导流片不发生流激共振，保证了空泡水洞的安全稳定运行和低噪声指标要求，具有广泛的应用价值和效果。
2、本发明提供的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，通过对流体激励频率和结构模态频率预报，对比流体激励频率与结构模态频率相对差值，然后判断流激共振。
3、本发明提供的实现流激共振抑制的空泡水洞拐角段导流片，能够在设计阶段避免空泡水洞拐角段导流装置发生流激共振，具有结构简单、可靠的特点，具有很大的实用价值和推广意义。
附图说明
图1为本发明提供的空泡水洞结构示意图；
图2本发明提供的空泡水洞某拐角段结构和拐角段导流装置三维结构图；
图3为本发明提供的导流片二维瞬态计算计算域示意图；
图4为本发明提供的导流片二维瞬态计算来流角度示意图；
图5为本发明提供的某流速工况导流片脱落涡涡量云图；
图6为本发明提供的某流速工况导流片脱落涡导致的导流片尾缘频域脉动压力；
图7为本发明提供的某流速工况导流片脱落涡频率随入流角度变化规律；
图8为本发明提供的某水洞某工况导流片附近流场速度大小和流动方向与水平方向夹角；
图9为本发明提供的单片导流片两道和三道支撑板方案简化固定示意；
图10为本发明提供的单片导流片两道和三道支撑板方案小段导流片尾缘弯曲变形模态；
图11为本发明提供的拐角段局部模态计算边界条件示意图；
图12为本发明提供的拐角段局部模态计算提取导流片尾缘弯曲变形模态。
附图中各部件的标记如下：
1-第一拐角段；2-第一垂直段；3-第二拐角段；4-等直段；5-方转圆过渡段；6-驱动泵段；7-第二扩张段；8-圆转方过渡段；9-第三拐角段；10-第二垂直段；11-第四拐角段；12-蜂窝器；13-稳定段；14-收缩段；15-试验段；16-第一扩张段；17-翼形导流片；18-导流片支撑板；19-拐角段壳体；20-拐角段壳体筋板；21-拐角段剖面图；22-导流片二维计算域；23-导流片二维计算域速度入口；24-导流片二维计算域压力出口；25-导流片二维计算域滑移壁面边界；26-导流片二维计算域无滑移壁面边界；27-导流片二维计算域入流角。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种空泡水洞试验装置，其主要由收缩段、试验段、扩散段、拐角段等几部分组成。
具体来讲，本发明中，空泡水洞试验装置包括依次连接形成空泡水洞回路的第一拐角段1、第一垂直段2、第二拐角段3、等直段4、方转圆过渡段5、驱动泵段6、第二扩张段7、圆转方过渡段8、第三拐角段9、第二垂直段10、第四拐角段11、蜂窝器12、稳定段13、收缩段14、试验段15、第一扩张段16。
请参阅图2所示，所述拐角段由拐角段壳体19、设置于拐角段壳体19外壁上的拐角段壳体筋板20、设置于拐角段壳体19内部的翼形导流片17以及导流片支撑板18构成。
所述翼形导流片17为固定结构件，流体经过该结构后，在强制引导作用下完成转向。其二维翼型展向拉伸结构，二维特征突出；应用于水洞拐角段流体导流，其可以延伸应用于各种管状装置转向位置的流体导流。
实施例1
本发明提供了一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，包括如下步骤：
S1、计算空泡水洞最高运行流速工况下，导流片尾缘的最大涡脱落频率；
构建单片导流片二维通道来计算导流片尾缘涡脱落频率；
请参阅图3和图4所示，在导流片二维计算域22中，导流片表面设置为无滑移壁面边界26，导流片二维通道内外侧设置为滑移壁面边界25，入口设置为速度入口23，出口设置为压力出口24。
S11、采用大涡模拟湍流模型对导流片局部模型开展计算，首先获得水平来流条件下，导流片尾缘涡脱落频率，计算结果如图5和图6所示；
S12、计算不同来流角度下导流片尾缘涡脱落频率，得到导流片尾缘涡脱落频率随来流角度的变化规律，结果如图7所示；
S13、根据如图8所示的空泡水洞拐角段位置实测或仿真速度分布情况，计算空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率f 1 。
设计过程中f 1 越小越有利于避免发生流激共振，导流片翼形设计时采用钝化导流片尾缘的方式减小最大涡脱落频率f 1 。
S2、计算不同导流片设计方案下，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率；
计算带导流片拐角段的结构模态，提取被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率，其最小值为导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率f 2 。设计过程中f 2 越大越有利于避免发生流激共振。
S21、对于两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，该结构的第一阶模态为导流片尾缘变形最大的弯曲模态；
S22、空泡水洞拐角段导流片可以简化为多个两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，如图9和图10所示，由于拐角段导流片隔板数量和安装位置的差异，导致各段两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构的长度不同。并且由于拐角段壁面和导流片支撑板对导流片的支撑与固定边界存在一定差异。选取整个拐角段模型整体计算拐角段导流片模态；
S23、提取被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率，如图11和图12所示，其最小值为导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率f 2 。
设计过程中f 2 越大越有利于避免发生流激共振，采用增加导流片支撑板的方式可以增大f 2 。
S3、通过减小空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率，或者，提高导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率，使得所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率的10%，实现在水洞全流速工况运行条件下导流片均不会发生流激共振。
进一步的，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率与空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率差距越大，越不容易发生流激共振。
在其他优选实施方式中，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率的20%。
在更优选实施方式中，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率的50%。
基于上述计算方法，本发明可以通过对拐角段导流片增加支撑板、改变导流片尾缘形状、增强导流片材料刚度等方式，避免空泡水洞全流速范围内拐角段导流片发生流激共振。
综上，本发明提供的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，通过对流体激励频率和结构模态频率预报，对比流体激励频率与结构模态频率相对差值，然后判断流激共振。
实施例2
基于上述计算方法，能够在空泡水洞拐角段导流片的设计阶段就避免空泡水洞拐角段导流装置发生流激共振，由此根据实际应用需求，通过对拐角段导流片增加支撑板、改变导流片尾缘形状、增强导流片材料刚度等方式，设计出能够实现流激共振抑制的空泡水洞拐角段导流片，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率10%。并且，该导流片具有结构简单、可靠的特点。
综上所述，本发明提供了一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，包括如下步骤：S1，计算空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率；S2，计算导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率；S3，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率10%以上的拐角导流片方案能抑制拐角段导流片流激共振。本发明用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，能够保证空泡水洞全工况运行时导流片不发生流激共振，保证了空泡水洞的安全稳定运行和低噪声指标要求，具有广泛的应用价值和效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、计算空泡水洞最高运行流速工况下，导流片尾缘的最大涡脱落频率；
S2、计算不同导流片设计方案下，导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率；
S3、通过减小空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率，或者，提高导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率，使得所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率的10%，实现在水洞全流速工况运行条件下导流片均不会发生流激共振；
步骤S1的计算过程为：
S11、采用大涡模拟湍流模型对导流片局部模型开展计算，首先获得水平来流条件下，导流片尾缘涡脱落频率；
S12、计算不同来流角度下导流片尾缘涡脱落频率，得到导流片尾缘涡脱落频率随来流角度的变化规律；
S13、根据空泡水洞拐角段位置实测或仿真速度分布情况，计算空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率；
步骤S2中，计算带导流片拐角段的结构模态，提取导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率，得到被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率。
2.根据权利要求1所述的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，其特征在于：步骤S1中，构建单片导流片二维通道来计算导流片尾缘涡脱落频率；
在导流片二维计算域（22）中，导流片表面设置为无滑移壁面边界（26），导流片二维通道内外侧设置为滑移壁面边界（25），入口设置为速度入口（23），出口设置为压力出口（24）。
3.根据权利要求1所述的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，其特征在于：步骤S2的具体计算过程为：
S21、对于两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，前述结构的第一阶模态为导流片尾缘变形最大的弯曲模态；
S22、空泡水洞拐角段导流片简化为多个两端固定约束的二维翼形展向拉伸结构，选取整个拐角段模型整体计算拐角段导流片模态；
S23、提取被导流片支撑板分割为小段的导流片翼形的一阶模态频率，其最小值即为导流片尾缘弯曲变形对应的最小模态频率。
4.根据权利要求1所述的用于空泡水洞拐角段导流片的流激共振抑制方法，其特征在于：步骤S3中，所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率20%。
5.一种实现流激共振抑制的空泡水洞拐角段导流片，其特征在于：所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率10%。
6.根据权利要求5所述的实现流激共振抑制的空泡水洞拐角段导流片，其特征在于：所述导流片的尾缘弯曲变形对应的最小模态频率大于空泡水洞最高运行流速工况下导流片尾缘的最大涡脱落频率20%。
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