邵優(yōu)華,田 錦,黃修長(zhǎng)
(1.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室,上海 200135;2.上海交通大學(xué) 振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所,上海 200240)
水下開口腔體流激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與仿真研究
邵優(yōu)華1,田 錦2,黃修長(zhǎng)2
(1.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室,上海 200135;2.上海交通大學(xué) 振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所,上海 200240)
采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法,研究流體流經(jīng)開口腔時(shí)在開口處的壓力脈動(dòng)規(guī)律,以及開口腔在壓力脈動(dòng)作用下的振動(dòng)特性。研究的內(nèi)容主要有:通過實(shí)驗(yàn)和有限元/邊界元方法獲得開口腔模型在空氣中和水中的模態(tài)振型以及頻率;在開口腔的孔口后緣10毫米處布置一個(gè)壓力傳感器來測(cè)量流速對(duì)渦脫落頻率的影響,通過開閉孔口的方式確認(rèn)渦脫落的頻率分量;使用大渦模擬計(jì)算得到不同流速條件下壓力傳感器對(duì)應(yīng)位置的壓力脈動(dòng)規(guī)律,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證;在開口腔體側(cè)面布置一個(gè)加速度傳感器來測(cè)量不同流速條件下腔體結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況;以CFD計(jì)算得到的壓力脈動(dòng)為輸入,使用有限元/邊界元方法計(jì)算得到加速度傳感器對(duì)應(yīng)位置處的加速度值,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
振動(dòng)與波;流激振動(dòng);開口腔體;大渦模擬;振動(dòng)測(cè)量;濕模態(tài)測(cè)量
開口腔繞流問題在過去幾十年里吸引了許多研究者的關(guān)注。流體流經(jīng)開口腔一般都是非定常流動(dòng),開口腔表面的壓力脈動(dòng)會(huì)引起開口腔的振動(dòng)和聲輻射。Rossiter最早對(duì)矩形開口腔體繞流振蕩機(jī)理進(jìn)行了研究,并于1964年提出了聲學(xué)反饋模型,即把腔口繞流邊界層視為由空腔前緣脫落的一系列渦組成,邊界層隨著來流向下游運(yùn)動(dòng),在與空腔后緣發(fā)生碰撞后產(chǎn)生反向壓力波(以聲波的方式傳播),當(dāng)這壓力波回傳至空腔前緣時(shí),在空腔前緣處激發(fā)出新的渦脫落。當(dāng)前緣脫落的渦系與反饋聲波組成的反饋回路滿足一定的相位關(guān)系時(shí),流動(dòng)將出現(xiàn)自持振蕩。他認(rèn)為這是一種流-聲共振現(xiàn)象,并用經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)共振頻率[1]。在他之后,學(xué)者們提出了一系列的理論模型來解釋這一問題。主要有剪切層不穩(wěn)定理論以及“渦聲”理論[2]。
近年來隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)以及大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,許多研究者開始使用大渦模擬(LES)來研究這個(gè)問題。Larcheveque等使用LES技術(shù),模擬亞聲速下戰(zhàn)斗機(jī)彈艙在艙門打開和關(guān)閉兩種情況下的流場(chǎng),得到了彈艙的壓力脈動(dòng)頻譜[3]。國(guó)內(nèi)的學(xué)者也做了許多卓有成效的工作,中國(guó)船舶科學(xué)研究中心張楠等利用大渦模擬結(jié)合FWH聲學(xué)類比方法,對(duì)不同尺寸的方形開口腔在水中的流動(dòng)發(fā)聲進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào),得到開口腔中的流譜、開口腔與載體上的渦量分布以及輻射噪聲頻譜,這些計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好[4]。
這些研究大多關(guān)注流體振蕩以及流噪聲,對(duì)壓力脈動(dòng)引起開口腔本身的振動(dòng)卻鮮有研究。對(duì)于水下航行器來說,流體激發(fā)開口腔結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的聲輻射會(huì)大大增加被聲吶探測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)。因此,有必要搞清楚開口腔結(jié)構(gòu)與流體壓力脈動(dòng)之間的相互作用關(guān)系,以及開口腔在不同流速?zèng)_擊下的振動(dòng)特性。
文中通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到了開口腔結(jié)構(gòu)的干、濕模態(tài),并在重力式水洞中測(cè)試不同流速下開口腔結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度。采用大渦模擬方法求解非定常流動(dòng),得到開口腔表面的壓力脈動(dòng),并進(jìn)一步使用有限元/邊界元法計(jì)算開口腔在壓力脈動(dòng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)。
研究的開口腔結(jié)構(gòu)如圖1所示,其上部空腔由四根桿支撐,空腔中部有一個(gè)正方形開口??涨唤孛鏋闄C(jī)翼型,機(jī)翼弦長(zhǎng)c=382 mm,空腔由5 mm厚的鋼板加工而成。其詳細(xì)尺寸見圖2。
圖1 開口腔結(jié)構(gòu)以及坐標(biāo)系示意圖
圖2 開口腔的詳細(xì)尺寸(單位:mm)
在空腔的側(cè)壁安裝一個(gè)Kistler三向加速度傳感器,并用硅膠做好防水密封,在水洞上壁面金屬結(jié)構(gòu)上也布置一個(gè)三向加速度傳感器用于測(cè)量背景振動(dòng)。在水洞外側(cè)安裝有一個(gè)裝水的長(zhǎng)方體容器,為了排除水流的干擾并保證聲能夠透過水洞壁傳到容器中,容器的材料阻抗與水的相同,并將一個(gè)B&K 8103水聽器布置其中。在孔口后邊緣,距離邊緣10 mm處開有直徑6 mm的孔,用以安裝壓力傳感器,模型以及傳感器的整體布置見圖3。實(shí)驗(yàn)所需的儀器如表1所示。
圖3 開口腔模型和各傳感器整體布置圖
表1 實(shí)驗(yàn)儀器列表
上海交通大學(xué)重力式水洞中可測(cè)量區(qū)域的橫截面積為700 mm×700 mm的正方形,有兩臺(tái)功率為115 kw的水泵提供來流水位。水洞中能提供的水流速度理論值為5 m/s,但考慮測(cè)試時(shí)水流的穩(wěn)定性,實(shí)際測(cè)量流速不能高于3.5 m/s。由于水洞中的可測(cè)量區(qū)域只有0.49 m2,并考慮水洞側(cè)壁對(duì)試件表面的流場(chǎng)的影響以及試件體積對(duì)管道中流速影響,因此真正能用于測(cè)試的區(qū)域?yàn)橹虚g的300 mm×300 mm。
開口腔模型繞流實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與步驟如下:
(1)將開口腔模型安裝在水洞里面,在不通水的情況下采用激振器單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)輸出(SIMO)方法測(cè)量獲得干模態(tài)的頻率和振型。
(2)將加速度傳感器用硅膠密封,放置24小時(shí)待硅膠固化。布置好壓力傳感器和水聽器,打開水泵注水,待到水淹沒腔體上表面約50 mm處關(guān)閉閥門。采用敲擊法分別敲擊腔體的三個(gè)方向來得到腔體的濕模態(tài)頻率。
(3)模態(tài)頻率獲得之后,封閉水洞,通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)水流速度,測(cè)量不同流速下平板開孔腔體繞流流場(chǎng)、振動(dòng)和噪聲。為了捕捉開孔引起的脈動(dòng)壓力,選擇流速較大的工況。
(4)將開孔封閉進(jìn)行測(cè)試,并與開孔封閉前進(jìn)行對(duì)比,以此驗(yàn)證壓力傳感器測(cè)量出來的壓力脈動(dòng)是由開孔引起的。
大渦模擬(LES)方法通過空間濾波,將大小兩種尺度的渦團(tuán)分離,其中大尺度渦的脈動(dòng)在湍流中起主要作用,而過濾后的小尺度脈動(dòng),則采用特殊方法進(jìn)行封閉[5]。通過這樣的調(diào)整,LES方法不但可反映物理現(xiàn)象的基本規(guī)律,而且較DNS方法節(jié)省大量計(jì)算網(wǎng)格和時(shí)間,因此文中采用了大渦模擬的方法。
大渦模擬的第一步工作就是要將流動(dòng)變量分解成大尺度渦和小尺度渦,這一過程稱之為濾波(Filtering operations)。若f(x,t)為一個(gè)瞬時(shí)流動(dòng)變量,則其大尺度渦可以通過一個(gè)在物理空間區(qū)域上的加權(quán)積分來表示
式中D代表流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域;x′和x分別為濾波前后的向量,Gˉ代表濾波函數(shù)。
經(jīng)過濾波操作,過濾后的連續(xù)方程和不可壓縮Navier-Stokes方程就可以寫為
式中i,j=1,2,3;ui表示與xi相關(guān)聯(lián)的速度分量表示過濾后的平均速度分量;ρ為流體的密度,ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);τij是亞格子應(yīng)力:
由濾波運(yùn)算得到的亞格子雷諾應(yīng)力τij反應(yīng)了大尺度渦與小尺度渦之間的作用,比如能量和動(dòng)量變換、對(duì)大渦的反饋等。它是個(gè)未知量,需要建立模型進(jìn)行模擬。Smagorinsky在1963年首次提出Smagorinsky模型。Lily給出了基于已求解的流動(dòng)信息來動(dòng)態(tài)計(jì)算的方法。本模型中采用動(dòng)力Smagorinsky模型進(jìn)行模擬,具體參見文獻(xiàn)[4]。
計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方體,截面尺寸與重力式水洞相同,計(jì)算域長(zhǎng)度為12c,高度為1.8c。因?yàn)橹慰涨坏乃母鶙U對(duì)開口附近的流場(chǎng)影響很小,在CFD計(jì)算中不予考慮。整個(gè)計(jì)算域如圖4所示,共計(jì)有520萬六面體、四面體混合網(wǎng)格,其中c為機(jī)翼的弦長(zhǎng)。計(jì)算的邊界條件為速度入口、壓力出口、計(jì)算域側(cè)壁以及空腔表面為無滑移壁面條件。為了研究孔口關(guān)閉時(shí)的流場(chǎng)特征,建立另一個(gè)相似的孔口封閉的CFD模型。大渦模擬流速從1.5 m/s到3.5 m/s。
圖4 流體計(jì)算網(wǎng)格
流激振動(dòng)計(jì)算使用有限元、邊界元相結(jié)合的方法。先用有限元法計(jì)算得到開口腔真空中的模態(tài)頻率與振型,再使用間接邊界元法計(jì)算其濕模態(tài)以及在流體載荷下的響應(yīng)。計(jì)算流固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的基本控制方程如下。
對(duì)于一個(gè)非耦合系統(tǒng),其固有頻率和相應(yīng)的振型可表示為以下的特征值問題[6]。
其中Ks和Ms分別為系統(tǒng)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣,{u}表示位移向量。對(duì)于一個(gè)流固耦合系統(tǒng),相應(yīng)的特征值問題則變?yōu)?/p>
其中Ma為附加質(zhì)量矩陣,表示流體載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。因此耦合問題可以用如下的方程來表示
以上方程可以通過如下方法近似求解。在固定的ω0處求解附加質(zhì)量矩陣,并提取特征模態(tài)和特征值。
有限元模型在Ansys中建立,使用solid185單元和shell63單元,共15 000個(gè)單元。邊界元模型在Hypermesh中建立,共2 000單元,如圖5所示。計(jì)算的邊界條件為四根支柱末端固定。
圖5 開口腔有限元與邊界元模型
由于流體激勵(lì)的頻率都很低,只考慮空腔結(jié)構(gòu)100 Hz以下的模態(tài)??涨唤Y(jié)構(gòu)前3階空氣中的模態(tài)由LMS Test.Lab測(cè)得,圖6為第1階模態(tài)振型(y方向平動(dòng)),其中白色線框表示結(jié)構(gòu)變形前的位置。實(shí)驗(yàn)得到前3階模態(tài)頻率為26.1 Hz、30.3 Hz、41.2 Hz。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知第1階模態(tài)為沿y軸平移,第2階模態(tài)為沿x軸平移,第3階模態(tài)為繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。有限元計(jì)算的模態(tài)振型與實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的模態(tài)符合得十分好,如圖7所示。
圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的空氣中模態(tài)振型(1階模態(tài))
流體與結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的固有頻率與未考慮耦合作用時(shí)是不一樣的。對(duì)于文中研究的開口腔-流體耦合系統(tǒng),耦合系統(tǒng)的模態(tài)與不考慮耦合作用時(shí)變化很小。表2和表3分別列出了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的開口腔空氣和水中的模態(tài)頻率和振型??芍_口腔模態(tài)振型幾乎未變只是對(duì)應(yīng)的頻率比在空氣中時(shí)要小。而且相對(duì)于高階模態(tài)而言,低階模態(tài)的頻率受到流體載荷影響更大。在有限元計(jì)算中,邊界條件為四根支撐桿固支,而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中,四根桿是由螺栓固定在水洞的地板上。這樣的連接方式實(shí)際上一種彈性連接,因此有限元仿真的模態(tài)頻率與實(shí)際的測(cè)試結(jié)果有一些差別。
表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的模態(tài)頻率
表3 數(shù)值計(jì)算得到的模態(tài)頻率
為了測(cè)量開口腔體繞流引起的孔口后緣的壓力脈動(dòng),在孔口后緣附近(離孔口10 mm處)布置一個(gè)壓力傳感器。使用一個(gè)塑料塊封住孔口來進(jìn)行閉孔繞流實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)比開孔和閉孔時(shí)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力特征,研究流體流經(jīng)開口腔誘發(fā)的壓力脈動(dòng)特性。
圖8為三種不同的流速(3 m/s、3.2 m/s和3.4 m/s)條件下開孔與閉孔時(shí)測(cè)得的壓力脈動(dòng)頻譜。其中,從小到大三種流速對(duì)應(yīng)的峰值頻率分別為31 Hz、32 Hz和34.5 Hz。根據(jù)矩形腔繞流的半經(jīng)驗(yàn)公式,孔口壓力脈動(dòng)第1階頻率可表示成:其中U為流速(m/s),D為孔口尺寸(0.04 m)。利用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出這三種流速下的第1階渦脫落頻率分別是30 Hz、32 Hz和34 Hz,這與實(shí)驗(yàn)得到的峰值頻率符合得很好??芍卓诤缶壍膲毫γ}動(dòng)是由渦脫落引起的,且以第1階渦脫落為主。從圖8中還可發(fā)現(xiàn),孔口后緣脈動(dòng)壓力幅值隨流速增大而逐漸增大。
圖9為流速為3 m/s時(shí)根據(jù)大渦模擬計(jì)算得到的孔口位置壓力脈動(dòng)的頻譜圖,可以看到其在30 Hz處的峰值最大,這與半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的峰值頻率符合得很好。這顯示出大渦模擬可以用來預(yù)測(cè)孔口的壓力脈動(dòng)。
圖7 根據(jù)有限元法得到的開口腔模態(tài)
圖8 開孔(上排)和不開孔(下排)時(shí)脈動(dòng)壓力頻譜圖
圖9 大渦模擬得到的流速為3 m/s時(shí)孔口的壓力脈動(dòng)頻譜圖
圖10為流速為3 m/s時(shí)開口腔開孔和閉孔情況下測(cè)得的三個(gè)方向加速度頻譜。通過比較開孔和不開孔時(shí)加速度頻譜的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在開孔時(shí)x方向的加速度在31 Hz處有明顯的峰值,而在閉孔時(shí)這一峰值消失。這表明開口腔繞流引起的振動(dòng)為10U壓力脈動(dòng)激發(fā)的開口腔體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)。
以大渦模擬計(jì)算得到的脈動(dòng)壓力為輸入,使用有限元/邊界元方法可以計(jì)算得到開口腔體的振動(dòng)響應(yīng)。以流速為3 m/s時(shí)的情況為例,圖11為計(jì)算得到的腔體x方向加速度頻譜。其中頻譜中22.8 Hz處的峰值對(duì)應(yīng)開口腔體x方向平動(dòng)模態(tài),30 Hz處出現(xiàn)的峰值對(duì)應(yīng)于孔口渦脫落的第一階頻率,這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果符合較好。
數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在特征頻率上具有一致性,都體現(xiàn)了激勵(lì)力和結(jié)構(gòu)濕模態(tài)特征。但是,兩者的頻率幅值存在不小的差異,其中一個(gè)主要原因是仿真模型具有較強(qiáng)的對(duì)稱性(結(jié)構(gòu)、阻尼、流場(chǎng)、邊界條件等)而實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃茈y保證其對(duì)稱性,另外實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷牧鲌?chǎng)邊界湍流遠(yuǎn)比仿真模型復(fù)雜。兩種結(jié)果對(duì)比表明,對(duì)于水下開孔腔體繞流隨機(jī)振動(dòng)的峰值頻率預(yù)估,采用仿真和實(shí)驗(yàn)方法都是可信的,而幅值的預(yù)估方法還需要更進(jìn)一步的研究。
利用上海交通大學(xué)重力式水洞,設(shè)計(jì)開口腔體的流激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過激振器激勵(lì)和敲擊法得到開口腔體的干、濕模態(tài)。在開口腔體的孔口后緣10毫米處布置一個(gè)壓力傳感器來測(cè)量流速對(duì)渦脫落頻率的影響,并通過開閉孔口的方式確認(rèn)渦脫落頻率分量。在開口腔體的側(cè)壁布置一個(gè)加速度傳感器來測(cè)量不同流速條件下腔體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。并利用大渦模擬、有限元/邊界元方法計(jì)算得到開口腔體在孔口脈動(dòng)壓力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)。通過一系列的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算,得到的主要結(jié)論如下:
圖10 流速為3 m/s時(shí)開孔(上排)和不開孔(下排)情況下測(cè)得的三個(gè)方向加速度頻譜圖
圖11 流速為3 m/s時(shí)計(jì)算得到的腔體x方向加速度頻譜
(1)通過激振器激勵(lì)和敲擊實(shí)驗(yàn)獲得開口腔體的干、濕模態(tài)頻率和振型。濕模態(tài)由于附連水的影響,頻率有所下降;
(2)開口腔體結(jié)構(gòu)濕模態(tài)與孔口渦脫落頻率引起的脈動(dòng)壓力特征均對(duì)應(yīng)于流激振動(dòng)響應(yīng)中的特征頻率;
(3)在較低流速下無法測(cè)得渦脫落頻率,在3 m/s~3.5 m/s范圍能測(cè)量到對(duì)應(yīng)的頻率峰值,且峰值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合;孔口渦脫落頻率主要以孔口第1階振蕩頻率為主,用經(jīng)驗(yàn)公式表示為:
(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在開口腔體的振動(dòng)響應(yīng)特征頻率上具有一致性,都體現(xiàn)了激勵(lì)力和結(jié)構(gòu)濕模態(tài)特征。但是,兩者的頻率幅值存在不小的差異,這是由于仿真中的邊界條件很難與實(shí)驗(yàn)中的邊界條件保持一致。
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Flow-excited Vibration Test and SimulationAnalysis of an Underwater Open Cavity
SHAO You-hua1,TIAN Jin2,HUANG Xiu-chang2
(1.Naval Representative Office of Shipboard Gun,Shanghai 200135,China;2.Institute of Vibration,Shock and Noise,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)
The flow-induced pressure fluctuation and vibration response of an underwater open cavity are studied.Experimental and numerical methods are used to investigate the related characteristics.The primary work includes:(1)the modal characteristics of the open cavity in air and in water are obtained using experimental method and FEM/BEM;(2)a pressure transducer is flush mounted on the upper wall of the open cavity to measure the pressure fluctuations behind the downstream edge of the orifice,meanwhile a large eddy simulation(LES)is conducted to obtain the pressure fluctuations in the same location as the pressure transducer,the results are compared with those of the test;(3)accelerometers are mounted on the side walls of the open cavity to investigate the vibration response under different free stream velocities;FEM/BEM is used to calculate the vibration response of the open cavity,the results are compared with those of the test.
vibration and wave;flow-excited vibration;open cavity;large eddy simulation;vibration measurement;wet modal measurement
O42
:A
:10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.012
1006-1355(2017)04-0057-06
2017-03-02
邵優(yōu)華(1964-),男,浙江省寧波市人,高級(jí)工程師,主要從事艦船總體研究設(shè)計(jì)工作。
E-mail:lblz@163.com