（精密仪器及机械专业论文）圆柱涡致振动控制的实验研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

a b s t r a c t t h ei n t e r n a la c o u s t i ce x c i t a t i o ne m i t t e df r o mas l i tw i t hs i z e0 2 r a mxl o m mo nt h e c y l i n d e r w h e nt h ee x c i t i n gp o s i t i o ni ss e a l o n es e p a r a t i o nr e g i o na n dt h ee x c i t i n g f r e q u e n c yi sm a t c h i n gt ot h ei n s t a b i l i t yf r e q u e n c ya n di t sh a r m o n i cf r e q u e n c y , t h ev i v c o u l db er e d u c e db ya c o u s t i ce x c i m t i o n w i ma n o t h e ri d e n t i c a lc y l i n d e rp r e s e n t e db e s i d et h i so n e t h ec o n t r o le f f e c t sa r e d i f f e r e n tw i t ht h es p a c i n gr a t i ob e t w e e nt h et w os i d e b y s i d ec y l i n d e r sc h a n g e d a tt h e s p a c i n gr a t i oo f1 2 ，t h e vw a sc o n t r o l l e dm o r eg r e a t l yt h a ns i n g l ec y l i n d e rw h e n t w oa c o u s t i ce x c i t a t i o n ss y m m e t r i c a l l yp e r t u r b e dn e a rs e p a r a t i o nr e g i o n s w i t ht h e i n c r e m e n to ft h es p a c i n gr a t i o ，t h ec o n t r o le f f e c td e c r e a s e d w h i l et h es l i t sl e n g t hi so n l y2 r a m ，a c o u s t i ce x c i t a t i o nc a n n o tr e d u c et h ev i v e v e nu s i n gs a m ec o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s i ti m p l i e st h a te n o u g he x c i t i n gr a n g ei s n e e d e dt ob ea b l et oc o n t r o lt h ev i v a sat y p eo fm i c r oa c t u a t o r , a c o u s t i ce x c i t a t i o ns u c c e s s f u l l yr e d u c e dt h ev i vb u t a c o u s t i ce x c i t a t i o nc a ni n d u c ea d d i t i o n a ln o i s ed u r i n gc o n t r o l ，a n dt h ew a s t i n ge n e r g y i sa l s oc o n s i d e r a b l e t h e r e f o r ean e wm i c r oa c t u a t o rm a d eu po fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ( p z t ) c a n t i l e v e rw a su s e di nt h ev i vc o n t r 0 1 n e we x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h em o d e lc a l c u l a t i o n ，a n dt h ec y l i n d e ri ss p r i n g s u p p o r t e d t h ec a r d e do u te x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tt h ev i vo fs i n g l ec y l i n d e rc o u l d a l s ob er e d u c e db ym i c r op z ta c t u a t o r t h ec o n t r o li sm o s te f f e c t i v ew h e nt h ee x - c i t a t i o ni sn e a rs e p a r a t i o nr e g i o na n dw h e nt h ee x c i t i n gf r e q u e n c yi sm a t c h i n gt ot h e i n s t a b i l i t yf r e q u e n c ya n di t sh a r m o n i cf r e q u e n c y f o rt h ec o n t r o lo ft w os i d e - b y - s i d e c y l i n d e r s ，t h e vd e c r e a s e dm o s tw h e nt w oa c t u a t o r sp e r t u r b e ds i m u l t a n e o u s l yn e a r s e p a r a t i o nr e g i o n sa ts p a c i n gr a t i oo f1 2 b e c a u s ea tt h i sr a t i o ，t h et w oc y l i n d e r sa c t e d 鹊o n eb i gb l u f fb o d y , a n dp e r t u r b a t i o n sa tb o t hs e p a r a t i o nr e g i o n sc a nr e d u c et h ev m o r e w h e nt h es p a c i n gr a t i ow a s1 8 ，t h e r ew e r et w ob i s t a b l e v o r t i c e sa n dt h ec o n t r o l h a dn oe f f e c t w h i l ea ts p a c i n gr a t i oo f 3 0 t h ec o n t r o le f f e c tw a ss a m e 嬲t h a to f s i n g l e c y l i n d e r t h em e a s u r e m e n t so f t h ec y l i n d e r sv i b r a t i o nv e l o c i t ya n df l o wf l u c t u a t i o n ss h o w e d p z ta c t u a t o r sc h a n g e dt h ep h a s eb e t w e e nt h e s et w os i g n a l s ，a n dt h ev o r t i c i t yw a sa l s o r e d u c e db yt h ea c t u a t o r s i ts h o w st h a tt h ea c t u a t o r sc o n t r o l l e dt h ev i v b yi n f l u e n c i n g t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ec y l i n d e ra n dt h ef l u i d t h ec r i t i c a la m p l i t u d eo ft h ea c t u - i v 表格 表格 2 1 不同声激励控制参数与结果对照 2 l 4 1 微压电致动器控制涡致振动的关键影响因素 7 7 i x 插图 2 1 2 2 2 3 插图 不同附加装置改变圆柱表面形成来控制圆柱涡致振动：a ) 螺旋 形条箍b ) 带孔罩；c ) 轴向板条；d ) 整流罩；e ) 分流板；f ) 丝 带；g ) 可转动导流翼；h ) 阻流板 3 刚性圆柱体振动的简化模型 1 1 两端固支梁模型 1 3 多自由度弹性支撑梁模型 1 6 3 1 实验装置示意图 2 6 3 2 声激励方位角定义：a ) 单圆柱，b ) 双圆柱 2 7 3 3 声激励装置示意图 2 8 3 4 扬声器放大电路原理图。：一 2 9 3 5 声激励的频率响应及其振动速度 3 0 3 6 圆柱在不同频率声激励下的位移一 3 2 3 7 圆柱在有无声激励下的位移振动信号 3 3 3 8 圆柱在有无声激励下的位移振动信号的功率谱分析 3 3 3 9 有无激励时流体速度波动的功率谱分析 3 4 3 1 0 不同角度不同频率激励下圆柱振动的主功率谱密度点 3 5 3 1 l 相同频率激励在不同角度下对振动控制的影响 3 6 3 1 2 声激励时圆柱表面的压力分布，口= 1 0 0 。，r e = 2x1 0 4 。( o ：靠 近激励点一侧) 3 7 3 1 3 相同频率激励在不同角度下对振动控制的影响，2 m m 狭缝) 3 8 3 1 4 双圆柱绕流的轴向涡量分布( 流动方向从左到右) ：a ) t d = 1 2 ，p = - 9 0 0 ；b ) r d = 1 5 ，口= - 9 0 0 ；c ) t d = 3 0 ，口= - 9 0 0 。3 9 3 1 5 圆柱在有无声激励下的位移振动信号( 口= 9 5 。，t d = 1 2 ) 4 0 3 1 6 圆柱在有无声激励下的位移振动信号的功率谱分析( p = 9 5 。，吖d = 1 2 ) 4 0 3 1 7 有无激励时流体速度波动的功率谱分析( p = 9 5 。，t d = 1 2 ) 4 1 x i 插图 3 1 8 不同角度不同频率激励下圆柱振动的主功率谱密度( t d = 1 2 ) 4 2 3 1 9 不同角度不同频率激励下圆柱振动位移的均方根值( t d = 1 2 ) 4 3 3 2 0 不同角度不同频率激励下圆柱振动的主功率谱密度( t d = 1 5 ) ， 4 5 3 2 1 不同角度不同频率激励下圆柱振动的主功率谱密度( t d = 3 0 )4 6 4 1 双层式压电致动器电极的连接方式 4 8 4 2 压电致动器的安装 4 9 4 3 致动器性能测试：( a ) 频率响应，( b ) 电压响应 4 9 4 4 致动器频率响应性能测试 5 0 4 5 对单圆柱进行控制的实验装置示意图 5 3 4 6 致动器振动对系统的反作用 5 3 4 7 圆柱绕流共振区测量。 5 4 4 8 无激励时圆柱体振动的时域和频率信号 5 5 4 9 有激励时圆柱体振动的时域和频率信号 5 6 4 1 0 不同位置激励对圆柱体振动影响 5 7 4 1 1 不同位置激励对流场速度影响 5 7 4 1 2 三弹簧支撑结构示意图 5 8 4 1 3 有无控制时圆柱体振动波形对比，p = 9 7 5 。 5 9 4 1 4 有无控制时圆柱体振动功率谱密度对比，伊= 9 7 5 。 5 9 4 1 5 不同位置致动器对圆柱体振动幅的控制 6 0 4 1 6 对双圆柱控制的实验装置示意图 6 1 4 1 7 不同频率的激励对圆柱振动的影响( 口= 9 5 。) 6 3 4 1 8 致动器对圆柱体振动影响的时域分析( 口= 9 5 。) 6 4 4 1 9 致动器对圆柱体振动影响的频域分析( = 9 5 。) 6 4 4 2 0 不同位置的激励对圆柱振动的影响( 曰= 9 5 。) 6 5 4 2 l 不同频率激励对流场的影响( 6 = 9 5 。) 6 6 4 2 2 致动器扰动对流场的影响的频谱分析( 9 = 9 5 。) 6 7 4 2 3 用p i v 测量的流场涡量图，上图片= 0 ，下图片= 2 6 5 5 ( 护= 9 5 。) 6 8 x 插图 4 2 4 不同电压驱动下致动器对圆柱振动控制的三维谱图( p = 9 5 ”。1 6 9 4 ：2 5 静骓蜘撇酩鲥同鳙唰孵隧斛捐杉铺j 旦= 9 5 ” 。：。，。：。：， 6 9 4 ，2 6 翮眶琅畦鹤惦f 蟾躯鞠牺睚髓钓蟾耐缎弭j 旦- - 9 5 ”e ：。：， 7 0 4 ，2 7 赠躯辨招孵髓触躯啪崮抽鞋酮拍驰疆j 理= 9 5 ”i 。：，。：，。； 7 u 4 ：2 8 蟾骗鞠担咂隧科鸲9 白静拍鞋控制频域图( 口= 9 5 0 ) 7 2 4 2 9 致动器对流固振动耦合的影响( 0 = 9 5 0 ) 7 2 4 3 0 不同频率激励对流固相位的影响( 0 = 9 5 0 ) 7 3 4 3 1 不同频率激励对圆柱振动的影响( 伽= 1 8 ，r e = 6 7 1 0 ) 7 4 4 3 2 不同频率激励对圆柱振动的影响( t d = 1 8 ，r e = 1 3 2 6 0 ) 7 4 4 3 3 不同频率激励对圆柱振动的影响( 0 = 9 5 0 ，- i 忸i = 3 o ) 7 5 4 3 4 不同角度激励对圆柱振动的影响( 片= 2 7 2 7 ，t d 一3 0 ) 7 6 5 1 两圆柱的位置关系示意图 8 0 5 2 不同异面角时圆柱振动位移的时序信号 t d = 1 2 ，r e = 9 2 7 2 ) 8 1 5 3 不同异面角时圆柱振动位移的功率谱密度 t d = 1 2 ，r e = 9 2 7 2 ) 8 l 5 4 不同异面角时近场流速的功率谱密度( t d = 1 2 ，r e = 9 2 7 2 ，= d = 4 ，u d = - 1 7 ，z z = o ) 8 2 5 5 不同异面角时远场流速的功率谱密度 f d = 1 2 ，r e = 9 2 7 2 ，x d = 1 6 ，u d = - 1 7 ，z l = 0 ) 8 2 5 6 并列双圆柱绕流的涡量分布( f l = 0 0 0 ，z l = o ) 8 3 5 7 异面双圆柱绕流的涡量分布( 卢= 0 4 0 ，z l = o ) 8 3 5 8 圆柱振动速度与流体流速的互功率谱分析( 卢= 0 0 。) 8 4 5 9 圆柱振动速度与流体流速的互功率谱分析( = 0 2 。) 8 5 5 1 0 不同异面角时圆柱振动r m s 值( t d = 1 2 ，r e = 9 2 7 2 ) 8 5 5 1 1 不同r e 下圆柱涡致振动r m s 值 8 6 5 1 2 不同r e 下尾迹流速的功率谱密度图( 圆柱体弹性支撑，p = 0 2 。) 8 7 5 1 3 不同r c 下尾迹流速的功率谱密度图( 圆柱体固支，卢= 0 2 。) 8 7 x m 符号说明 m 一圆柱体质量( 包括流动附加质量) 。 劬一单位长度梁横向压力分布。 r e ( = 学) 雷诺数。 吼( = 馏) - - s t r o u h a l ( 斯德鲁哈尔) 数。 b 时间。 鼻一两圆柱之间距离。 矿一电压。 u 矗一无穷远处速度，或来流速度。 珥。广圆柱体对流体的相对速度。 u d ，u 。r 圆柱体的振动速度在流向与横向的分量。 口- 以流向z 为轴转动角度。 肛两圆柱异面角。 旺以z 为轴转动角度。 p 一流体密度。 风一圆柱体密度。 卜动力( 学) 粘性系数。 ( = 等) 运动( 学) 粘性系数。 = 一相位角。 一( 圆柱体) 结构的固有角频率。 u 。一脱涡角频率。 x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1圆柱绕流与圆柱结构的涡致振动 流体流过钝体( 又称非流线型物体) 在自然界是一种非常普遍的现象。这 一看似简单的现象却蕴涵着十分复杂的物理机理，因此从十九世纪以来便一 直吸引着研究者们的浓厚兴趣。圆柱绕流则为研究这些物理机理提供了一种 最为便捷的模型，因为圆柱绕流包括了几乎所有流动中的复杂过程，如流动 的分离、脱涡、湍流等。所谓圆柱绕流，是指当圆柱体轴向( 又称翼展方向) 与流动方向相垂直时流体流过圆柱体的一种物理现象。 圆柱绕流以及伴随圆柱绕流产生的脱涡现象主要受雷诺数( r e ) 影 响当r e 5 ，流体沿圆柱边界向后分层流动；当5 r e 4 5 ，自由剪 应层在圆柱后中线处汇合，并在近场尾迹中产生一幅稳定的对称涡，也称 为f s p p l 涡。随着雷诺数继续增加，尾迹开始呈现不稳定的周期性波动，从 圆柱表面有涡脱落，形成k 螽册矗n 涡街，但圆柱的边界层仍然保持层流状态。 当3 0 0 r e 1 5 1 0 s ，此时被成为亚临界态，剪应层中层流向湍流的转变开 始。在此范围内，层流边界层从圆柱表面分离，脱涡过程稳定且具有很强周期 性当1 5 1 0 s r e 3 5x1 0 6 时，湍流涡街与湍流边界层出现 1 ，2 】 在亚临界态下，脱涡过程在圆柱体两侧交替发生，使得圆柱四周的应力也 产生周期性的波动。其后果是使得圆柱体受到周期性的作用力，从而导致圆 柱体产生振动，是为涡致振动。对能够自由振动或弯曲变形的圆柱体来说，涡 致振动可以有效影响流场，提高流固耦合效果：如增加涡的强度；增强脱涡沿 轴向相关性；使脱涡频率接近固有频率，又称为锁频；增加阻力以及改变尾迹 中涡的相位、顺序和方式等。涡致振动会对建筑结构产生很严重的疲劳损坏， 如桥梁、烟囱、高塔、海上平台和热交换站尤其是当脱涡的频率与结构的固 有频率一致，结构体处于共振状态时 2 ，涡致振动对固体结构的破坏更加严 重。涡致振动的重要性吸引了许多研究人员的兴趣，其中一些研究成果已发 表在一些综述与专著中【2 5 】 1 第1 章绪论 当流场中增加一个并排的圆柱，变成双圆柱绕流后，流体与固体间的耦合 关系更为复杂。流体横向流过并列双圆柱的问题已经研究了许多年 6 _ 1 1 】。研 究者发现两圆柱之间的相对距离决定了圆柱绕流的流动方式：当圆柱间距t 与 圆柱直径d 之间的比值t d 1 2 时，双圆柱具有单个钝体的特征，流动生成 一对扩大的k a n n 缸涡街；当1 2 t d 2 2 时，脱涡变成一对双态涡，两侧 脱落的涡尺度，频率都不同；当2 2 1 3 1 5 时最优 和t a k e d a 【2 7 少3 0 ，且圆柱尾迹被 控制 延长。 进行控制的研究中，表明p z t 致动器需要扰动边界层而产生涡来破坏剪切层原 有的周期涡。因此，有效激励振幅，即p z t 致动器振幅，应与剪切层厚度相当。 他们证明，在剪应层内的不稳定频率上进行扰动可以有效提高升阻力比。 h o 的研究组 4 1 在研究三角翼的控制中，采用电磁致动器来控制流动的 分离。当致动器振幅与边界层厚度相当，最大扭矩可以增加4 0 。 前面我们说，在非层流状态下，圆柱绕流产生分离与脱涡，圆柱涡致振动 遇到的问题主要是端流。湍流场是由一系列不同尺度的涡构成，这些涡的尺 度在时间与空间上分布很广。涡的尺度最大( 用f 表示) 几乎与整