考慮流固耦合的管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲及特性研究.pdf

1、流體管道系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海洋工程、生物工程、電力工業(yè)、石油能源工業(yè)、核工業(yè)、艦船、飛行器動(dòng)力裝置以及日常生活中。因?yàn)樵诠苈废到y(tǒng)中存在泵和閥門等內(nèi)部聲源以及基礎(chǔ)振動(dòng)和管道破裂等外部激勵(lì)，所以會(huì)誘發(fā)流體管道產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，并在管道和流體中傳播。振動(dòng)噪聲問題在艦船管路系統(tǒng)中，顯得十分突出，一方面會(huì)造成管路以及精密儀器附件破壞，影響管路系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；另一方面管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲會(huì)通過船體以及內(nèi)外部流體交換而產(chǎn)生聲輻射，影響其隱身性，直接

2、對(duì)艦船安全構(gòu)成威脅。
　　 首先忽略流體和管道之間摩擦效應(yīng)的影響，直管考慮軸向泊松耦合效應(yīng)，彎管考慮泊松耦合效應(yīng)以及Bourdon耦合效應(yīng)，參考Tenteralli的建模思想，建立管路系統(tǒng)中最基本的管路部件單元--直管和彎管的動(dòng)力學(xué)模型。模型包括軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)以及管道的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，一共14個(gè)參量的一階時(shí)域偏微分方程。然后利用Laplace變換把時(shí)域方程變換到頻域，對(duì)于直管，對(duì)頻域方程經(jīng)過復(fù)雜的推導(dǎo)，把14個(gè)多元一階偏微分方程轉(zhuǎn)

3、化為14個(gè)一元高階常微分方程，對(duì)高階方程直接求解得到直管的頻域解析解；對(duì)于彎管，借鑒張立翔教授對(duì)直管軸向4方程模型的求解思想，同樣得到彎管的頻域解析解。管道的最終解還必須結(jié)合管路系統(tǒng)的邊界條件，在這里，把管路的邊界簡化為六個(gè)自由度方向(線彈性和扭轉(zhuǎn)彈性)的彈性剛度，通過設(shè)定不同的彈性剛度，可以得到各種組合的邊界形式，比如固定邊界、簡支邊界、自由邊界以及彈性邊界等。
　　 建立典型管路結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣模型，包括直管和彎管、折管、分支

4、管(一點(diǎn)分支以及多點(diǎn)分支)和錐形管的傳遞矩陣，傳遞矩陣中管段連接點(diǎn)(點(diǎn)傳遞矩陣)處支撐可以為任意形式。一點(diǎn)分支通過分支點(diǎn)處的力平衡和位移平衡得到了任意形狀分支管的點(diǎn)傳遞矩陣，并結(jié)合邊界條件得到了其求解方程；在此基礎(chǔ)上，通過在點(diǎn)傳遞矩陣等式左右添加零矩陣的方法得到了多點(diǎn)分支的傳遞矩陣，同樣結(jié)合邊界條件得到了其求解方程。錐形管通過劃分單元，把錐形管劃分為N段，用直管近似等效錐形管的單元，建立了錐形管的傳遞矩陣。
　　 在管路系統(tǒng)中，

5、存在大量的法蘭、閥門、泵等管路附件，這些附件都會(huì)影響管路系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)于法蘭、夾具等簡化為一個(gè)集中質(zhì)量元件，利用理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論建立了集中質(zhì)量的傳遞矩陣；而閥門、泵等聲源附件不僅給管路帶來了附加質(zhì)量，而且是管路系統(tǒng)的激勵(lì)源，因而，利用四端網(wǎng)絡(luò)法以及力學(xué)理論，建立閥門、泵等聲源附件的傳遞矩陣模型。
　　 在前面研究的基礎(chǔ)上，利用典型管路結(jié)構(gòu)以及附件等在任意支撐下的點(diǎn)傳遞矩陣以及場(chǎng)傳遞矩陣，推導(dǎo)出任意管路系統(tǒng)的整體傳遞

6、矩陣，結(jié)合邊界條件得到了管路系統(tǒng)的求解方程，這里的管路系統(tǒng)的傳遞矩陣以及求解方程適用于任意形狀以及布置的管路系統(tǒng)。
　　 設(shè)計(jì)、搭建管路試驗(yàn)臺(tái)架，通過測(cè)量直管、Y型分支管以及十字型分支管在激勵(lì)下的軸向和橫向振動(dòng)噪聲響應(yīng)特性參數(shù)，通過與理論預(yù)測(cè)的對(duì)比來驗(yàn)證理論模型以及方法的正確性，同時(shí)也說明本文方法的應(yīng)用，并從試驗(yàn)角度對(duì)管路流固耦合振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行分析。
　　 最后，對(duì)管路典型部件進(jìn)行計(jì)算，通過調(diào)整管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及支撐形