（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海底阀箱流激振荡特性实验研究.pdf

海底阀箱流激振荡特性实验研究 捅要 随着船舶工业的迅速发展和海军装备建设日新月异，船舶的供水需求日 益提高，越来越多的船舶分别在船体艏部、舯部和艉部设置了海底阀箱( 即垂 向贯穿船底，底部与海水相通，项面无自由表面的陷落腔结构) ，以海底阀箱 结构为代表的三维陷落腔结构的流激振荡问题又重新受到各国学者的关注。 在一定的条件下，流激振荡所产生的交变流体力会诱发“流体力共振现象”和 “流激振动现象”，从而使陷落腔结构的的疲劳寿命受损，给船舶的正常运营 带来不利的影响。若能够对复杂流场中三维陷落腔的流激振荡特性做出合理 的预报，可大大提高三维陷落腔结构的使用寿命，同时为腔体结构的设计提 供依据。 本论文重点针对以海底阀箱结构为代表的陷落腔流激振荡特性中的若 干问题，结合国防科技工业技术基础科研项目，并在追踪了国内外有关陷落 腔流激振荡问题的最新研究动态的基础上，采用物理实验的方法展开系列、 深入的研究。旨在揭示三维陷落腔流激振荡机理，并合理地给了各种参数对 腔体内流激振荡特性影响的规律。本论文的主要工作内容可总结为以下几个 方面： l 、本文在正确地掌握腔型分离流数值计算方法的基础上，提出了实验 方案数值设计的方法。针对实验的影响因素和将出现的现象进行一系列的数 值实验。利用c f d 方法分别对三维陷落腔模型的f s o 问题和实验船模的 g r e e nw a t e r 问题进行数值实验研究，优化了实验方案，预测了实验现象。 2 、针对均匀流中三维陷落腔流激振荡问题采用l e s 湍流模型进行数值 研究。根据数值计算结果，结合涡运动学基本理论知识分析了腔体剪切层处 和其内部流体运动的机理。 3 、针对不同结构型式的陷落腔模型，采用对比分析的实验方法开展了 均匀流作用和浪流联合作用时，三维陷落腔流激振荡问题的系列实验研究， 测量了腔体侧壁上的流体压力信号。同时在实验中分别考虑了来流攻角、波 浪周期、波高对陷落腔流激振荡特性的影响及流体力分布的影响，给出了影 响规律，给出了c 2 ，和& 数的估算公式。 4 、分别分析了不同来流条件、不同浪流条件时三维陷落腔流体力随如 哈尔滨丁程大学博七学位论文 数k c 数的变化规律及分布规律，同时分析了波高、波频、来流流速、来流 攻角对剪切层振荡频率的影响，给出了各种来流条件下剪切层振荡频率随来 流流速的变化规律。 5 、针对腔体内流体与外界存在质量交换的问题分别开展了均匀流场作 用和浪流联合作用时，三维陷落腔的质量交换实验研究( 即抽水实验) ，同时 考虑了腔型的变化和来流方向的变化，给出了腔内与外界存在质量交换时对 腔内侧壁流体力分布的影响规律及质量交换量的变化对腔口剪切层振荡特性 的影响规律。 关键词：海底阀箱；流激振荡；复杂流场；质量交换 海底阀箱流激振荡特性实验研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs h i pi n d u s t r ya n dq u i c k l yc h a n g i n go fn a v a l e q u i p m e n tc o n s t r u c t i o n , t h en e e do fw a t e rs u p p l yi ns h i pi n c r e a s e s ，s om o r ea n d m o r es h i p ss e tu ps u c t i o nb o x e sw h i c hl o c a t ei nt h es t e m ，a m i d s h i p sa n ds t e r n , i n t h a ts u c t i o nb o x e st r a n s f i xb o t t o mp l a t i n ga n dh u l lb o t t o mc o n n e c t 、析t l ls e aw a t e r m o r e o v e rt h e ya r ec a v e i nc a v i t yw i t h o u tf r e es u r f a c ea tt h et o p r e p r e s e n t e db y t h es u c t i o nb o xt h ep r o b l e mo ff l u i di n d u c e do s c i l l a t i o no fc a v e - i nc a v i t yi sp a i d c l o s ea t t e n t i o na g a i nb ym a n yr e s e a r c h e r s u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n st h ea l t e r n a t i n g f o r c ec a u s e db yf l u i di n d u c e do s c i l l a t i o nw i l ll e a dt op h e n o m e n o no f f l u i df o r c e r e s o n a n c e a n d “f l u i di n d u c e dv i b r a t i o n ”，f i n a l l yf a t i g u el i f eo fc a v e - i nc a v i t y w o u l db ed a m a g e d ，w h i c hw i l lh a v ea d v e r s ei n f l u e n c eo nn o r m a lo p e r a t i o n s i f r e a s o n a b l ef o r e c a s to ff l u i di n d u c e do s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc a l lb eg i v e ni n c o m p l e xf l u i d ，t h e i rf a t i g u el i f ew i l lb ei n c r e a s e dg r e a t l y a tt h es a m et i m et h e f o u n d a t i o no fc a v e i nc a v i t y d e s i g nw i l lb ep u tf o r w a r d a i m i n ga tm a n yp r o b l e m so ff l u i di n d u c e do s c i l l a t i o no fc a v e i nc a v i t y , c o m b i n i n gb a s i cr e s e a r c hp r o j e c t so fn a t i o n a ld e f e n s es c i e n c e ，t e c h n o l o g ya n d i n d u s t r y , b e s i d e ss e a r c h i n gm a n yl a t e s t r e s e a r c hr e s u l t so nf l u i di n d u c e d o s c i l l a t i o no fc a v i t y , as e r i e so fe x p e r i m e n t a la n dc o n 仃a s t i v er e s e a r c hm e t h o d sa r e c a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h ep u r p o s ei st oo p e no u tm e c h a n i s mo ff l u i di n d u c e d o s c i l l a t i o no nc a v e - i nc a v i t y , a n dt h ei n f l u e n c i n gr u l eo fa l lk i n d so fp a r a m e t e ro n f l u i di n d u c e do s c i l l a t i o ni sg i v e n t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 、o nt h eb a s i so fv a l i d l yg r a s p i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fc a v i t y s e p a r a t i o nn u m e r i c a ld e s i g nm e t h o do ne x p e r i m e n t a lp r o j e c ti s o p e n e do u t a i m i n ga te x p e r i m e n t a li n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt a k i n go nn e wp h e n o m e n a as e r i e s o fn u m e r i c a le x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u t t h ep r o b l e m so fc a v e i nc a v i t y sf s o a n ds h i pm o d e l sg r e e nw a t e ra l es t u d i e du s i n gc f dm e t h o d ，t h e ne x p e r i m e n t a l p r o j e c ti so p t i m i z e d ，f o r e v e re x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a i sp r e d i c t e d 2 、a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fc a v e - i nc a v i t y sf s ol e sc a l c u l a t i n gm o d e li s h i 哈尔溟丁程大学博士学位论文 a d o p tt oc o m p l e t en u m e r i c a lr e s e a r c hi nu n i f o r m b a s e do nt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s c o m b i n i n gb a s i ct h e o r yo fv o r t e xd y n a m i c s ，s h e a rl a y e ro s c i l l a t i o na n di r l t e m 2 l l d y n a m i cm e c h a n i s mo fc a v i t yf l o wf i l ea n a l y z e d 3 、a i m i n ga td i f f e r e n tc a v i t yt y p e s ，e x p e r i m e n t a lm e t h o do fc o n s t r u c t i v e a n a l y s i si sa d o p t e dt oc o m p l e t eas e r i e so f e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf l o wi i l d u c e d o s c i l l a t i o np r o b l e mo ft h r e e d i m e n s i o n a lc a v e i n c a v i t y , w h i c hs u b j e c t e dt o u n i f o r mf i e l da n dw a v ef l o wf i e l d m o r e o v e rt h ep r e s s u r e s i g n a l so fc a v i t y ，s s i d e w a l la r em e a s u r e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fa t t a c ka n g l e ，w a v ec y c l ea n dw a v e h e i g h to nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u i di n d u c e do s c i l l a t i o no fc a v i t ya r ec o n s i d e r e d t h ei n f l u e n c i n gr u l ei sp r e s e n t e da n d e s t i m a t i n gf o r m u l ao fc pa n ds ta r eo p e n e d o u t 4 、c o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o n sa td i f f e r e n ti n c o m i n ga n dw a v ef l o w , t h er u l e s o f f l o wf o r c e sv e r s u sr en u m b e ra n dk c n u m b e rs e p a r a t e l ya r ea n a l y z e d a tt h e s a m et i m et h ei n f l u e n c eo fw a v eh e i g h t ，w a v ef f e q u e n c y ，i n c o m i n gv e l o c i t ya n d i n c o m i n ga n g l eo nf r e q u e n c yo ft h es h e a rl a y e ra r ea n a l y z e d t h e nt h er u l eo f s h e a r l a y e rv e r s u sv e l o c i t yi sg i v e n 5 、a i m i n g a tt h ep r o b l e mo ff l o wo f c a v i t yi n n e rh a v i n gt h em a s se x c h a n g e w i t ho u t s i d e ，t h ed i f f e r e n tc a v i t yt y p e se x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw i t hm a s s e x c h a i l g e a r ec a r r i e do u t ，w h i c hs e p a r a t e l ys u b j e c t e dt ou n i f o r mf i e l da n d w a v ef i e l d t h e n t h ei n f l u e n c er u l e so fm a s se x c h a n g eo nt h ed i s t r i b u t i o no f f l o wf o r c e so f c a v i t y i n n e ra n dc h a r a c t e r i s t i co fs h e a rl a y e ro s c i l l a t i o na r eg i v e n k e yw o r d s ：s e c t i o nb o x ；f l u i di n d u c e do s c i l l a t i o n ；c o m p l e xf l o wf i e l d ；m a s se x c h a n g e i v 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 作者( 签 日期： 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( d 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 铆 日期： 文矽0 7 年月莎日 ， 第j 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及问题提出 船舶海底阀箱( 也称海底门或海水箱、通海阀等) 是舰船结构的主要组成部 分之一，它主要用于提供船舶主、辅柴油机冷却用水，消防用水、压截用水， 卫生、甲板及锚链等冲洗用水等。它是船舶的主要命脉之一，直接关系到船 舶的诈常营运、船员及乘客的正常生活以及船舶及人身的安全问题。目前随 着海军装备的日新月异，舰船各部分结构和系统的安全性及可靠性的水平不 断地在提高，以保障舰船长期、正常工作。 海底阀箱 蚓li 某船舯部阀箱位置示意图 f i g li s k e t c ho f s u c t i o nb o xi na m i d s h i p so f as h i p 海底阀箱通常位于船艏、船中和船尾的底部，是尺寸约为一米见方的内 部装有水的箱体。海底阀箱就其结构形式而青( 相对于船底) ，属于陷落式腔 体的结构型式。陷落式腔体在航天航空领域、航海领域、水利工程领域都有 广泛的应用，如飞机起落架轮蓄井、战机上的投弹舱、船舶系统和管道运输 的储液系统、船用水下航行器e 的孔和腔、槽形壁面的风洞和水洞、波纹状 管道等都是陷落式腔体结构。当水流( 气流) 穿过和越过这些腔体结构时， 在腔口处会产生流体的分离和振荡，在腔体内会产生腔内介质的振荡现象， 有时会伴有从腔口发出强烈、稳定的音调和单频声现象，同时可能存在两种 现象的耦合作用，这类现象称为流激振荡( f l u i d i n d u c e do s c i l l a t i o n ) 。当流体 振荡频率与结构的固有频率相近时会产生“共振”的现象，即流体和结构之间存 哈尔滨t 程大学博士学位论文 在着相互耦合的作用，这称之为流固耦合( f l u i d s t r u c t u r ei n t e r f a c e ，f s i ) 。流 一固耦合是指流体截荷会引起结构的振动，反过来结构的振动又会影响流场中 流体的流态，使得作用在结构上的流体截荷的大小和分布发生变化。流固耦 合作用会导致腔体结构破坏以及疲劳破坏。综上所述可见流激振荡现象是流 固耦合作用产生的前提，在流体激励的振动频率满足一定的条件下，就会有 耦合共振的现象发生。因此流激振荡现象是腔体结构产生振动的前提，也可 能是腔体结构的产生破损的主要流体激励之一，而解决流固耦合问题的关键 在于正确的确定流体激励力，因此我们十分有必要来研究腔体结构的流激振 荡机理，与此同时还要采取相应的有效措施和方法，控制或消除这种不利的 振荡。 海底阀箱在服役期间经常会受到波浪和海流的作用，所以其内部流激振 荡问题更为复杂。目前我国某舰艇在服役期间曾出现过船艏处右侧阀箱产生 裂纹，引起了有关方面的高度重视。但因不同结构型式的海底阀箱所产生的 裂纹位置、破坏程度不尽相同，它们所处的海洋环境也不尽相同，所以阀箱 产生裂纹的主要原因目前还尚不明确。有的专家认为其产生裂纹的原因是由 于主机振动引起阀箱裂纹，有的专家则认为是抽水水泵的振动引起结构疲劳 导致的裂纹，但大家众说纷纭。本文认为由于流激振荡所产生的流体与结构 间的耦合振动会引起的的阀箱结构产生疲劳损伤，海底阀箱产生裂纹和疲劳 损伤可能主要源于两方面： 1 随机海流造成的流激振荡。 2 船体开口引起的局部应力集中，由此导致局部结构强度不足。 流激振荡问题可能是造成海底阀箱产生裂纹的直接原因，它决定着箱体 的使用寿命，也是海底阀箱在结构设计工作中所要解决的主要问题之一。因 此有必要对其进行详细的研究，以确保海底阀箱在工作期间的安全性和可靠 性。 本文所研究的船用海底阀箱流激振荡问题比通常所说的处于均匀流场中 的陷落腔结构的流激振荡问题要复杂的多，但它们却有着相似的流体运动机 理，如图1 2 所示。其一，船用海底阀箱为代表的陷落腔结构经常处于浪流场 中，其流激振荡问题要受波高、波频及船舶航行速度以及来流攻角的影响。 其二，船用海底阀箱的主要作用是为船舶提供各种用水需求，在工作状态时 2 第1 章绪论 阀箱内部的流体将与外界存在着质量交换问题，该问题的存在使得阀箱内部 的流场变化更加的复杂，而目前为止质量交换对流激振荡问题的影响还鲜为 人知。其三，阀箱本身的结构参数可能根据船舶供水的实际需求情况而发生 变化，如阀箱的高跨比和宽跨比等，各种结构参数的变化对腔体流激振荡问 题也有很大的影响。由上述三种原因可知以海底阀箱为代表的陷落腔结构所 处的流场是相当的复杂，本文称之为复杂流场。于是在复杂流场作用下海底 阀箱流激振荡问题的研究仅仅依靠理论研究是十分困难的，所以本文采用数 值方法和物理实验方法相结合的方法对此问题进行系列而深入的研究。 l 卜l - 一 ( a ) 海底阀禧结构( b ) 普通陷落腔结构 图1 2 海底阀箱结构与陷落腔结构的区别 f i g 1 2t h ed i f f e r e n c eo fs u c t i o nb o xa n dc o m n l o l lc a v e i nc a v i t y 复杂流场作用下海底阀箱的流激振荡问题的研究旨在解决海底阀箱在服 役期间存在的实际工程问题。本文主要分析处于复杂流场中陷落腔流激振荡 机理和流场水动力分布特性，探索流体力的等效和计算方法，为海底阀箱的 损伤机理和结构设计提供理论基础和设计依据，从而为提高结构的稳定性和 隐身性，确保其在服役期间能够安全有效地运行。 流激振荡问题是非定常流动的形式之一，在此过程中既有流的分离，又 有剪切层和旋涡运动的产生与演化，并且它们之间是相互作用的，有时还伴 随着波的传播及声压力振荡，在一定的条件下可能还存在着声辐射，这使得 这类问题的研究尤为复杂性【l 】。由此当前的实验研究及数值研究显示了对腔流 不稳定性的物理特征的重新关注。目前有关气流作用下的二维突出式腔体及 陷落式腔体的流激振荡和声共振问题的研究已取得了丰硕的研究成果【2 。8 1 ，但 关于水流及浪流联合作用时二维、三维陷落式腔体流激振荡问题的研究目前 还鲜有相关的报导。 3 哈尔滨丁程大学博士学位论文 基于以上背景，本文主要针对复杂流场作用下海底阀箱( 下文无特特殊 情况，均简称为陷落腔) 的流激振荡问题，在忽略了流体的可压缩性的情况 下，采用数值计算方法和物理实验方法进行探索和研究，实验研究重点在均 匀流场和浪流场作用下陷落腔结构的流激振荡特性和流体激励的分布特性， 进而为海底阀箱所受到的复杂流体激力提出合理的计算方法，为海底阀箱结 构的标准化设计提供理论基础和计算依据。 1 2 腔体流激振荡问题 1 2 1 引言 流激振荡所引起的流固耦合问题与流体力学和结构力学紧密相关，它是 专门研究流体力对结构的作用以及结构对流场反作用，其核心内容是流激振 动问题。流固耦合问题按其耦合机理可分两大类【9 】，第一类问题的特征是耦 合作用仅仅发生在两相的交界面处，在方程上的耦合是由两相耦合的平衡及 协调关系引入，如海水与船体的耦合振动，油体与输油管道的耦合振动等； 第二类问题的特征是两相域全部或者部分地重叠在一起，难以明显分开，使 描述物理现象的方程要针对具体的物理现象来建立，耦合效应要要通过描述 问题的微分方程来体现，如渗流问题。本文所研究内容属于第一类问题中的 流激振荡问题。 1 2 2 腔体流激振荡问题的分类 从流体力学的观点出发，流体( 水流或气流) 流过腔口，在腔口的导边 ( 1 e a d i n ge d g e ) 处产生流分离形成自由剪切层( 见图1 3 所给出的两种不同腔 体结构的流激振荡) ，此剪切层内的速度型具有拐点因而不稳定，并不断地向 下游运动，在与腔口随边( t r a i l i n ge d g e ) 处的固壁相撞后产生扰动波，此扰 动波再经声学的形式传播到导边前缘的流动分离区，使得自由剪切层不稳定 波与反馈的扰动波之间相互激励，相互增强，最终导致腔内的流动以一族特 定的频率产生很大的压力振荡及剧烈的噪声，这种现象称之为流激振荡。 腔体流激振荡产生的根本原因是在腔口处存在着流体的分离而所引起 的。而人们通常认为在腔内的水流是“死水”，“死水”暗示着腔内流体的流速为 o 。但实际上，当水流流过腔口时在腔口的导边处会发生水流的分离，然后因 4 第1 章绪论 逆压的存在而产生涡体运动和剪切层的自持振荡，此时一种复杂的、垂向的、 不稳定的三维流体存在于腔体内部。在超音速流中，文献 1 0 】中已观测到腔体 内存在很强的、规则的、可重复的展向扰动。对于亚音速的水流越过或流过 腔口时可能包含更多种水流的形态。因此即使水流流过极为简单的几何结构 分离流也是极其复杂的，其暗示着复杂的水流机理。若考虑流体的可压缩流 性，冲击波与边界层的相互作用是必须被考虑的【1 0 l 。 i 卜o c a ) 陷落式腔体 腔口 ， 矿 导遗形 边工 ( b ) 突出式腔体 图1 3 腔体结构图 f i g 1 3s t r u c t u r a ls k e t c ho fc a v i t y 当水流流过一个固体分界面上时，首先在固体表面上产生流分离的现象。 在越过固体的上面及后面会形成分离流。分离流根据分离域的尺寸及特征可 以典型地被分成两大类，第一类：如果分离域相比于结构尺寸小，且被分离 的流线及分离点和附着点所封闭，这类流体的分离被定义为分离流。第二类： 另一种流体的分离与结构相比具有很大的尺寸，且不被封闭，例如钝体后面 的尾流可以扩展到无限长距离的下游。大多数作者所提及的“分离流”都是指这 类尾流【1 0 1 。从分离流的角度出发，陷落腔的流激振荡问题属第一类问题。 在前台阶面的上游流、后台阶面的下游流、物体表面的断开处以及螺旋 桨的上表面都会有分离流的产生。台阶分离流是一种“楔型分离流”，而物体表 面的断开处产生的分离流是“腔型分离流”的一种，越过螺旋桨的分离域是“分 离气泡”的一种。楔型分离流的主要特征是分离流和物体的分离点与附着点间 存在着相对小的入射角；对于腔型分离流而言，分离点和附着点的物体边界 近似地与水流的流向成直角。这两种类型的流体分离发生的主要原因是物体 表面几何外形的突然变化；而分离气泡是由于光滑表面上存在的循环运动流 5 哈尔滨t 程大学博士学位论文 的动力特征。各种类型的流分离见图1 4 。本文所研究的陷落式腔体的流激振 荡问题中存在的流分离现象所上述的腔体流分离。 y - - ( b ) 腔型分离流 ( a ) 楔型分离流 ( c ) 机翼尾流分离泡 图1 4 分离流模型图 f i g 1 4p o s s i b l es e p a r a t e df l o wm o d e l 从腔体结构的角度出发，腔体结构按照深跨比( 肌) 可分为浅腔、等高 腔和深腔。当h l 1 时为深腔； 照来流与腔体的位置关系可分为陷落式腔体和突出式腔体。 目前，国内外的学者针对流激振荡所致的流激振动问题也进行了较多的 研究和分类。其中，美国b l e v i n s t l l 】按流动和工程结构的性质将流体诱发振动 分成稳定流动和非稳定流动两大类，又按诱发振动原因分成若干种振动形式。 6 第1 章绪论 德国n a u d a s c h e r i ，按激励机理将流激振动分为三种： l 、外部诱发振动( 微幅随机振动) ：该类振动的激励源是水流自身不稳 定或紊动形成的脉动压力，与结构运动无关。 2 、不稳定诱发振动( 如涡激振动) ：该类振动的激励源是由水流的不稳 定性和反馈机制产生的诱发力造成的，与振动着的结构有不可分割的联系。 不稳定反馈机制可以是流体动力学的、流体共振的或物体共振的。 3 、运动诱发振动( 自激振动) ：该类振动是由结构运动产生的诱发力造 成的，它与物体共振反馈的不稳定振动之间并不存在明显的界限，只有该类 振动在结构运动不存在时，诱发作用力也消失。 文献【1 3 】中根据流激振荡中所含耦合作用的类型，把流动所致的腔体的 振荡问题分成三种形式： 1 、流体间流体动力学相互作用，其中包含腔体自由剪切层振荡与腔内 流动的耦合作用，不涉及腔体内的声学驻波模态，即只发生自由剪切层的自 激振荡。许多低速情况下浅腔的流振荡问题属于此类，振荡机理主要取决于 剪切层的不稳定性。 2 、流体声学模态共振相互作用，这是一种受腔内的声学驻波模态控制 的流体振荡。深腔或大腔体小开口腔体经常出现这种类型的振荡。若在马赫 数比较高的情况下，浅腔也可能观察到这种类型的振荡。 3 、流体弹性结构相互作用。这种现象表现为腔体的剪切流与腔的弹性 壁面的相互作用。 1 2 3 腔体流激振荡问题基本特点 在低速水流及高速水流的作用范围内，腔体在流体激励作用下将产生流 体动力振荡现象、驻波共振现象、两者之间的声共振现象以及流体与结构的 耦合共振现象。下面简要地阐述它们的基本概念与基本原理。 一、剪切层自持振荡 当流体流过或越过腔口时，在腔e l 上游导边( 1 e a d i n ge d g e ) 会脱出剪切 层，这种剪切层横跨腔口并向下游运动，撞击腔口下游的随边与其发生作用， 在一定的条件下，形成自持反馈式振动，这种现象称为剪切层自持振荡，也 称为流体动力振荡( 如图1 3 a ) 。当水流流过腔口时，在导边脱出一剪切层， 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 在剪切层附近存在着较大的流速梯度，剪切层下方流速较低，而在剪切层上 方流体的流速大于下方流体的流速。正是由于较大流速梯度的存在，引起剪 切层的不稳定，从而产生对振动的放大作用，引起剪切层不断地上下摆动， 摆幅也不断增加，当剪切层到达腔体随边( t r a i l i n ge d g e ) 附近时，剪切层上下摆 动击打随边，使得随边处产生压力脉冲，压力脉冲以声速向上游传播到过导 边，在导边附近满足一定的相位时，压力脉冲的作用使剪切层的扰动增强， 这便形成了闭合反馈，产生自持振荡。r o s s i t e r 曾给出的剪切层自持振荡频率 的半经验公式1 4 1 ，如下所述。剪切层自持振荡频率随流体运动速度升高而增 大。 s , - - 等= 最( 肛1 ，2 3 ) ( 1 - 1 ) v m 七v k 、 一j 、。 式中：f 一为振荡频率( h z ) 0 - 2 ) 三腔口跨度( 1 1 1 ) y 无穷远处自由来流速度( m s ) k 为剪切层波的牵移速度与自由来流流速之比。坛= 1 7 5 m 为m a c h 数 m 为正整数 口为随边产生的反馈声脉冲与涡到达随边之间的迟滞时间延迟因 子，口取o 2 5 。 二、驻波共振 陷落式腔体和突出式腔体可看作是一个有底面的有限长波导管，在管中 入射波与反射波迭加，在腔内形成驻波场产生驻波共振。因上述两种腔型没 有h e l m h o l t z 共振腔的细喉部分，所以共振质量只是腔口辐射部分产生的。声 的深度驻波共振频率不随流体速度变化，且驻流共振频率比剪切层自持振荡 频率要高，当流体流速不断升高时，流体动力自振荡和腔深度驻波振荡产生 耦合【1 5 】。 文献 2 1 0 e 给出了气流作用下腔体的声共振频率的估算公式： z = 石百c ( 瓦2 n - 丽1 ) 面( 1 - 3 ) 8 第1 章绪论 式中：日一腔体的深度( m ) 三腔体沿流方向的跨度( 聊) w - 垂直于流的方向的宽度( m ) c 声传播的速度( m s ) 对于突出式腔不带导流板情况，0 2 万；对于陷落腔带导板的情况， 8 石3 0 。 三、流体结构耦合共振 当流体的剪切层振荡频率与结构的固有频率相接近时，将产生流固耦合 共振的现象。如果结构的局部结构固有频率与驻波共振频率相近，还将产生 结构的流固声耦合共振t 2 j l 拘现象。耦合共振可能将使结构产生较大的变形及 疲劳，严重时甚至会影响腔体的正常工作进程。 1 2 4 影响腔体流激振荡的因素 腔型分离流的流激振荡问题与很多重要的因素相关。首先：在上游导边 处的流体流动情况对腔型分离流的振荡特性起最为关键的作用，例如：导边 处来流流速的大小，来流流速的均匀程度，来流流速的空间分布情况、导边 处边界层的厚度，导边前方导流板的长度，腔体结构的深跨比( 跨度为流向 方向，深度为腔体的高度方向) ，它们都决定着腔体中流体振动的模态和幅值 1 6 l ；其次，随边处的垂向偏移( 沿深度方向) 对剪切层的振荡幅值也有很强的影 响，如：随边是斜坡式的，腔体内产生的脉动压力及噪声可被有效地降低， 并且当腔体底部倾斜也会改变剪切层振荡的特性【1 7 1 ，斜坡坡度的大小会影响 进入腔体的进流量，对腔内流体力的分布大小有较大的影响。除此以外， g h a r i b ( 1 9 8 7 ) t 1 8 】提出当激励频率在不稳定的剪切层变化的频率范围内时，剪切 层振荡频率将被放大。此外腔体内壁与腔体外壁的光滑度，腔体横截面的角 度、腔体横截面流向跨度与垂向跨度之比对腔体的流激振荡问题也有一定的 影响。 1 3 腔体流激振荡实验研究进展 鉴于腔体内流体的流动问题涉及到流体力学中非定常流的分离、涡体动 力学、自由剪切层的不稳定性、紊流剪切层中相干结构、及声与流动的相互 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 作用等基本前沿问题【l 姐引，流一固声振所致的结构疲劳均与流体诱导的腔体振 荡有关阻矧，所以国内外对腔体的流激振荡问题的研究高度重视。腔体的流 激振荡问题早在1 9 世纪6 0 年代就已开展了相关的研究，最为著名的有 h e l m h o l t z 涡线理论、r o s s i t e r 的反馈机制、b i l a m i n 等人的剪切层非稳定性理 论。 h e l m h o l t z ( 1 8 6 8 年) 首先提出了激振腔共振的涡线理论和能量传递理论 2 3 j 。他认为不同速度介质层之间的边界上可看作是由平面涡线构成的，若这 些涡线初始位于同一平面，则这些涡线应保持这种不稳定的平衡；若涡线受 到扰动它们将移出分界面形成瘤状而弯曲。并且他提出腔振荡的能量因声辐 射而损失，但又由穿过或越过腔口的气流得到能量补偿，气流通过边界面上 的涡线运动以适合的相位进入或溢出腔口，使得腔体的声振荡加强，达到一 新的相对平衡。虽然在后来的研究中涡线的概念相继被集结涡和剪切层所取 代，但h e l m h o l t z 提出的理论对后来的研究工作有重大的指导意义。 r o s s i t e r ( 1 9 6 4 年) 年采用纹影实验观察到腔口流提出的“集结涡”的概念 u 引。r o s s i t e r 认为集结涡的产生是腔发声的主要原因。集结涡与声脉冲会构成 一个闭合反馈环。利用反馈环各个链环的周期必同步的条件r o s s i t e r 提出 s t r o u h a l 数的半经验公式【l 4 。 尽管r o s s i t e r 的半经验公式与他的实验数据吻合的较好，但与他人的实验 数据相比，第二阶以上的剪切层自持振荡频率要比r o s s i t e r 的估算数值高得 多，尤其是当m 在0 4 1 2 范围以外处。 b il a m i n & c o v e r t ( 1 9 7 3 年1 【刎在r o s s i t e r 的基础上提出用剪切层代替集结 涡的概念，并建立数学模型计算振荡频率，但他们忽略了薄剪切层的不稳定 性的变化特点，而把流动m a c h 数用至高达3 4 。 虽然各国学者对腔的流激振荡问题进行了系统的研究，但关于其产生的 机理还不是很清楚，为了搞清腔的流激振荡机制，在过去的几十年里二维腔 流的受到了重要的关注，研究人员纷纷采用各种实验方法和测量技术来继续 研究剪切层的振荡特性及其不稳定性。其中最为典型的是r o c k w e l l & n a u d a s c h e r ( 19 7 8 年) 【2 5 1 ，c o l o n i u s ( 2 0 01 年) 2 6 1 ，r o w l e y & w i l l i a m s ( 2 0 0 6 年) 【2 7 】。n a u d a s c h e r ( 1 9 9 4 年) 1 2 8 】认为腔内流体振荡的激励源于流体流动的 不稳定性。并采用实验的方法研究了具有自由液面的腔体内流体的振荡问题， 1 0 第1 章绪论 他认为当流体流经具有自由液面的腔口时流动的不稳定性在强度上和空间上 得到了放大，最终这些能量被集中到某一主频附近，形成了月池内流体的稳 定振荡。n a u d a s c h e r 还形象地描绘了由剪切层的不稳定性形成旋涡的过程， 图15 所示： f 干孓 圈i 5 剪切层中旋涡形成的过程 f 培1 5 d e v e l o p m e n to f v o r t i c i t yc o n c e n t r a t i o n s f r o ma d i s t u r b e d t h i ns h e a r l a y e r c h k u o & w ij e n g ( 2 0 0 3 年) 【2 卅在循环水道中研究了二维矩形陷落腔 ( l d - 2 ) 在周期性激励作用下剪切层的振荡特性( r e 。= 1 5 2 ，2 1 6 ，2 7 8 ) 。他们利 用激光切片技术找到了激励腔的锁定区域，并基于非线性理论对其机制做了 简要的概述。sz i a d a ，h n g & c e b l a k e ( 2 0 0 3 年) 【3 0 】采用实验的方法研究低马 赫数( m * 0 3 ) 时狭窄浅腔的在气流中的流一声共振问题，捕捉到声共振时剪切 层振荡图案( 见图i6 ) 。他们指出腔体的结构形式和来流情况严重地影响着腔 m = 0 2 8 2 ，l d = 2 5 ，n = 2 霾莲 ，幽；豳 堕堑鎏三垒查茎量当兰堡丝圣 m = 0 2 8 ，l d = 4 ，h = 3 嘲16 声j l 扳激，毽m 明切层振荡吲 f i 9 16p h o t o g r a p h so fs h e a r l a y e r o s c i l l a t i o nb ya c o u s t i cr e s o n a n c ee x c i t a t i o n 内的流体振荡，并分析了腔型流可能存在的四种现象：1 ) 在剪切层处存在着 小扰动的幅值。2 ) 山于非稳定剪切层上漩涡的传送作用产生了声压级。3 ) 剪切层的振荡提高了声场共振。4 ) 在剪切层分离的位置新生成了的扰动形成 了共振声的闭合系统。他们给出了气流场数的预报公式，并提出共振反馈 控制的方法。但他们在研究腔体流激振荡和声共振的过程中，典型的特征足 忽略了腔内流的非平行性和三维机制，并且多数研究成果主要集中在验证振 荡频率是否与r o s s i t e r 研究的二维陷落腔的实验结果相一致。 ay ud y a c h e n k o ，v i t e r e k h o v & n1 y a r y g i n a 【3 ”( 2 0 0 8 ) 在风洞中采用实验的方 法研究了湍流流过带有倾角( 口= 3 0 。一9 0 。) 腔体的流激振荡问题，观测到涡 的形成过程，分析了腔体压力的垂向分布及温度变化。 近期，尽管各国学者开始分别采用实验方法和数值计算方法来研究三维 结构在各种情况下腔体分流特性问题，如：c hk u o ，s - hh a n g & c - w c h a n g 口“ ( 2 0 0 0 年) 研究了在腔体下游的随边上方加水平向平板时腔流的流动特性； j a c q u i n & g e f f r o y i ” ( 2 0 0 3 年) 和f a u r ee ta l “1 ( 2 0 0 7 年) 等发表了关于水下三 维腔流结构的水流特性，但这些三维特性仍没有被很好的理解。与此同时 g r a c ed e w a r & w r o b l e w s k i ，d e 1 3 5 1 ( 2 0 0 4 年) 在他的浅腔实验中却没有发现剪切 层自持振荡的现象，a s h c r o f t c & z h a n g x 3 6 1 ( 2 0 0 5 年) 通过对矩型结构腔分离流 的实验研究也没有观察到强烈的剪切层自持振荡的现象，这使得陷落腔的流 激振荡问题的存在与否，特性如何显得更加的神秘和不可测。 综上所述，学术界经过数十年对腔型分离流的实验研究还不能完全说陷 落式腔体的流激励问题和声共振问题已完全解决。虽然近几年来，各种腔型 结构在气流作用下的流激振荡问题的研究成果已解决了某些特定情况下的工 第1 苹绪论 程问题，但又不断地有新的问题被发现和提出来，从而使得此类问题的研究 再次引起各国学者的高度注视。而在均匀水流及浪