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绕弹性水翼非定常空化流激振动特性研究_孟璐

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验设备简图如图 1 所示，该设备主要由实验段、进
水管、回水管、真空控制系统等组成。实验前，使
储水池水充满管道形成封闭系统。电机驱 1480 r/min，
额定功率 55 kW，管内可达最大流速为 20 m/s，为
了防止泵的振动对实验造成影响，将电机安装在实 验段下方 5 m 处。实验段上游安装有容积为 11 m3
刘影(1964―)，女，山东人，副教授，学士，硕导，从事流体机械研究(E-mail:liuyingm@)； 高远(1990―)，男，山东人，硕士，从事流激振动研究(E-mail: gaoyuan_bitsme@)； 吴钦(1989―)，女，湖南长沙人，博士，从事流固耦合研究(E-mail: wuqin919@).
空穴的脉动以及空穴的脱落三个阶段；弹性水翼的振动主要受空穴发展过程的影响，因此流激振动特性呈现出周
期性的变化过程，且弹性水翼振动主导频率为空穴脱落频率；在不同的空穴发展阶段，表现出不同流激振动特性，
并且在空穴脉动和空泡脱落阶段水翼振动较为剧烈。
关键词：弹性水翼；云状空化；准周期；流激振动；频率
中图分类号：O35 文献标志码：A
摘 要：该文通过实验和数值计算相结合的方法，对弹性水翼非定常空化流激振动特性进行了研究。实验中，采
用高速摄像机获取云状空化不同发展阶段的流动发展规律，应用激光测振仪测量弹性水翼的流激振动特性，通过
同步测量技术获取水翼振动特性数据并结合空穴形态图对其进行分析，同时在实验结果基础上加入数值计算部分
对流激振动特性进行进一步的说明。研究结果表明：云状空穴的发展为一个准周期过程，包括附着型空穴的生长、
空化是水力机械及船舶领域中常见现象，空化 的发生通常会带来一系列问题，诸如设备运行特性 发生往往伴随空穴的生成、空泡脱落溃灭以及水动 改变、性能下降、振动、噪声等[1]。在相关领域中， 力载荷的复杂变化等过程，因此工程实践中，空化 工程塑料以及复合材料的应用越来越广泛[2]，由于
———————————————
了绕弹性水翼云状空化条件下的流激振动特性。具 体过程是在空化水洞实验中利用高速相机与多普 勒激光测振仪得到了翼型的空穴形态与振动速度， 并基于流固耦合的数值计算方法，对云状空化阶段 弹性水翼的空穴形态与流激振动特性进行了研究。
1 研究方法
1.1 实验设备及方法
水翼空化流动实验是在空化水洞中进行的，实
的储液罐，储存水体分离游离态气泡从而降低实验
段进口湍流强度。真空泵系统位于压力罐下方，用
来调节管道内部压力，变化范围为 0~0.095 MPa。
压力罐 真空泵
真空计
收缩段 实验段 扩散段 导流片
蜂窝器
地板
回水管
压力 控制器
进水管
泵
电机
贮水池
图 1 水洞设备的简图 Fig.1 Schematic of the cavitation tunnel
yy
光光源 源
光光源源
HHGG相相机机 zz
光光源 源
xx 流流向向
图 3 全流场观测系统 Fig.3 Schematic of the high-speed digital camera
实验采用多普勒激光测振仪对水翼的振动速 度、频率等进行测量，激光测振仪型号为 PDV-100， 采集频率为 20.48 kHz，量程为 20 mm/s，测量精 度为 0.02 μm/s。测振仪发射的激光束通过实验段 下方的有机玻璃照射到水翼压力面上，图 4 给出了 振动测量示意图以及激光照射点具体位置，即弦向 距离前缘 0.2c，展向距离固定端 0.5b。测振仪实时 采集水翼振动速度信号并通过采集卡将数据输出。
第 34 卷第 8 期 Vol.34 No.8
工程力学
2017 年 8 月 Aug. 2017
ENGINEERING MECHANICS
232
文章编号：1000-4750(2017)08-0232-09
绕弹性水翼非定常空化流激振动特性研究
孟 璐，刘 影，黄 彪，高 远，吴 钦
(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)
收稿日期：2016-03-22；修改日期：2017-01-04 基金项目：国家自然科学基金项目(51679005)；北京自然科学基金项目(3172029)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20131101120014) 通讯作者：黄彪(1985―)，男，湖北人，副教授，博士，从事流体机械及工程等研究(E-mail: huangbiao@). 作者简介：孟璐(1994―)，女，赤峰人，硕士生，从事流固耦合研究(E-mail: menglu1120110516@)；
目前关于流激振动特性方面的研究中多基于 理想有势流动，考虑振荡效应、流体流动等因素对 物体振动特性的影响较少，确定动态参振质量、动 态刚度和动态阻尼的理论方法尚不完善。因此本文 基于完全耦合算法，利用自编程软件对 NACA0009 水翼模型在流固耦合作用下的水弹性响应进行了 数值计算。本文采用实验与数值计算的方法，研究
(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081 China)
Abstract: By combining the experimental studies carried out in a closed-loop cavitation tunnel and the numerical investigation of flow-induced vibration, the flow-induced vibration characteristics of a flexible hydrofoil in unsteady cavitation are investigated. A high-speed video camera is used to visualize the unsteady cavitating flow patterns, and a laser doppler is used to measure the flow-induced vibration characteristics of the flexible hydrofoil. A multi-field synchronous measuring system is used to measure the cavity shape and hydrofoil vibration. Based on the results of the experiment, further numerical study is performed. The results show that: the process of the flow-induced vibration characteristics is a quasi-periodic variation, and one cycle can be divided into three stages which are attached cavity development, cavity fluctuation and cavity shedding. The flow-induced vibration is mainly influenced by the development of the cavitation, and the main frequency is corresponding to the cavity shedding frequency. During the different process of the cavitation development, it shows the different variation characteristics, and the variation is fiercer during the stages of cavity fluctuation and cavity shedding. Key words: flexible hydrofoil; cloud cavitation; quasi-period; flow-induced vibration; frequency
1 8°
350
70
700
图 2 实验段几何尺寸 /mm Fig.2 Geometries of the test section
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工程力学
实验测量系统包括流场形态观测和水翼振动 测量两部分。为了获取流场的形态图，实验段采用 全流场观测系统，如图 3 所示。该系统主要由一台 HG-LE 高速相机，三台镝灯以及一台计算机组成。 实验中高速相机的采集频率为 2500 fps，用于照明 的镝灯的功率均为 1 kW。高速摄像机对流场形态 进行采集，数据储存在计算机中。
自由端
前缘 0.2c
. 固定端
尾缘 激光照射点
(a) 测量示意图
(b) 测量点的位置参数
图 4 振动测试点位置
Fig.4 Position of test point
工程力学
233
这种材料的属性与力学行为与传统材料不同，刚度 远小与传统材料，因而在流体载荷作用下会发生变 形，继而对流场结构造成影响[3―8]。例如采用复合 材料制造的螺旋桨，会在水动力载荷的作用下发生 变形和振动，对螺旋桨的工作效率、噪声等造成影 响，严重时甚至发生共振，严重威胁螺旋桨的安全 运行。而水动力学研究中，翼型作为水下螺旋桨、 水泵叶片等设计基础，广泛应用于水力机械的优化 设计中，因此对弹性水翼流激振动特性的研究具有 重要的工程意义。
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.03.0205
INVESTIGATION OF FLOW-INDUCED VIBRATION CHARACTERISTICS OF FLEXIBLE HYDROFOIL IN UNSTEADY CAVITATION

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带空泡运动物体的附加质量研究

带空泡运动物体的附加质量研究

学位论文作者签名： 黄旋
日期：2009 年 3 月 2 日
上海交通大学 学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。
In this work, a method of determining the added mass by “measuring” hydrodynamic force of a cavity swaying or rolling vehicle in numerical “tunnel” is proposed. Reasonable mathematical model and numerical simulation method are introduced in accordance with the characteristics of periodic swaying or rolling movement of a cavity vehicle, realize the solution of vehicle’s behavior of fluids dynamic; then according to the equation of motion, a method of separating the force of the added mass and calculating the added mass are brought up; investigate added mass of an underwater cavity running vehicle.
喷水推进泵叶轮空化涡流的数值模拟研究

喷水推进泵叶轮空化涡流的数值模拟研究

喷水推进泵叶轮空化涡流的数值模拟研究郭嫱，王宇，黄先北,仇宝云（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州225127）摘要：基于旋涡对空化的影响，本文采用考虑旋转修正的SST-CC 湍流模型和基于涡识别修正的Zwart 空化模型，对喷水推进泵叶轮内部空化涡流场进行数值模拟研究。

分析了推进泵在不同空化数条件下的水力特性和空化现象，比较了不同种类涡识别方法在辨识空化涡流中的适用性。

研究结果表明，数值计算得到推进泵的扬程、功率和效率等性能参数以及叶轮内的空化现象，与参考实验吻合较好。

分析了叶片表面和叶顶间隙附近空化区域内的含汽量特性；针对推进泵叶顶间隙空化涡的辨识研究，对比了压力准则、涡量准则、Q 准则、λ2准则和无量纲化的Ω准则，揭示了旋涡流动对空化形成的影响。

关键词：喷水推进泵；空化；涡流；数值模拟；涡判据中图分类号：U664.34文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2022.01.004Numerical analysis of the cavitating vortical flow in a water-jet pump impellerGUO Qiang ,WANG Yu ,HUANG Xian-bei ,QIU Bao-yun(College of Electrical,Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China)Abstract:Based on the influence of vortices on cavitation,the SST-CC turbulence model with rotation cor⁃rection and a modified Zwart cavitation model with vortex recognition correction were used to calculate the in⁃ternal cavitating vortical flow in a water-jet pump impeller.The hydraulic characteristics and cavitation phe⁃nomena of the water-jet pump under different cavitation numbers were analyzed,and different vortex identifi⁃cation methods were applied to identify the cavitating vortical flow.It is revealed that the calculated perfor⁃mance parameters such as head,power and efficiency of the water-jet pump and cavitation phenomena in the impeller are in good accordance with the referenced experimental results.The vapor content in the cavitation area near the blade surface and blade tip clearance were analyzed.In the light of identification of cavitating vortices in tip clearance of the water-jet pump,the pressure criterion,vorticity criterion,Q criterion,λ2crite⁃rion and dimensionless Ωcriterion were compared,and the contribution of vortical flow to the cavitation for⁃mation was revealed.Key words:water-jet pump ；cavitation ；vortical flow ；numerical simulation ；vortex identification 0引言喷水推进是船舶的一种动力推进方式，其推进原理是利用推进泵喷水获得反作用力。

不同预紧力时隔水管涡激振动特性三维数值模拟研究

不同预紧力时隔水管涡激振动特性三维数值模拟研究

ｉｄ ｃｄＶｉｒｔ ｎ 以 下 简 称 ＶＩ 是 导 致 隔 水 管 疲 ｎ ｕ ｅ ｂ ａｉ ， ｏ Ｖ） 劳 损坏 甚至 断 裂的 主要原 因 ， 会影 响海 洋作 业 ， 这 甚
ｌ 数 值 模 拟 方 法
海 水 可 看 作 粘 性 不 可 压 缩 流 体 ， 控 制 方 程 的 其
一
３ ０ 的 南 海 海 域 ， 长 径 比 隔 水 管 成 为 必 不 ０ｍ ０ 大
ＶＩ 的 三维 数值 模 拟 ， Ｖ 探讨 不 同预 紧力 时 的隔水 管
ＶＩ 特 性 。 Ｖ
可 少 的 部 件 。 隔 水 管 浸 没 在 海 水 中 ， 体 流 经 隔 水 流
管 在管 体 两 侧 交 替 脱 涡 诱 发 的 涡 激 振 动 （ ｒｅ — Ｖｏ ｔｘ
数 值 模 拟 ， 拟 结 果 与 实 验 结 果 吻 合 良好 ， 时进 行 振 型 分 析 解 释 了 多阶 振 动 模 态 的 现 象 。探 讨 了 模 同 不 同预 紧 力 时 的 涡 激 振 动 特 性 ， 果 表 明预 紧 力 增 大 ， 水 管 振 动 幅 度 减 小 ， 激 发 的 模 态 阶 数 降 结 隔 可
方程 和湍 流模 型方程 ， 符号 含义参 考 文献 ［ １ 。 其 １ ］ 使用 基于 三维实 体单 元 的有 限元方 法对 隔水 管
进 行 数 值 模 拟 ， 隔 水 管 运 动 方 程 进 行 有 限 元 离 散 对 可得 到其控 制方 程［ １
体 力 的瞬 态变 化 以及 结 构 振 动 对 流 场 的耦 合 作 用 ；
第 ２ ３卷
第 ６期
中 国 海 上 油 气
（Ｈ Ｉ Ａ （ ＦＦＳＨ （ ＲＥ （ Ｉ Ａ Ｎ Ｄ （Ａ Ｓ ： Ｎ ） ） ）１
基于CFX的螺旋桨激振力数值预报研究

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C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 第３６卷　第７期２０１４年７月武　汉　理　工　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＷＵＨＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３６　Ｎｏ．７Ｊｕｌ　２０１４ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２０１４．０７．０１４基于ＣＦＸ的螺旋桨激振力数值预报研究陈如星，周瑞平，林晞晨（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉４３００６３）摘　要：　基于ＣＦＸ的滑移网格技术预报伴流场下螺旋桨的非定常水动力性能，为螺旋桨激振力数值计算提供可行的思路。

以桨舵系统为计算分析对象，比较分析了均匀来流下螺旋桨的定常和非定常水动力性能的差别；计算了理论伴流下螺旋桨的非定常水动力性能，将所得结果与理论伴流的趋势进行了比较分析，验证了ＣＦＤ计算模型的准确性。

预报伴流场下螺旋桨的激振力，将计算结果与文献所给建议值进行了比较分析。

结果表明，该方法可有效预报螺旋桨激振力，能够代替经验公式求解螺旋桨激振扭矩。

关键词：　非定常水动力性能；　螺旋桨激振力；　桨舵系统；　伴流；　ＣＦＤ中图分类号：　Ｕ　６６４．２文献标识码：　Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２０１４）０７－００７３－０７Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｆｏｒｃｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＦＸＣＨＥＮ　Ｒｕ－ｘｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｒｕｉ－ｐｉｎｇ，ＬＩＮ　Ｘｉ－ｃｈｅｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｌｉｐｐｉｎｇ　ｇｒｉｄ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ＣＦＸ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｉｎｗａｋｅ　ｆｉｅｌｄ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｒｕｄｄｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｓｅｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎｓｔｅａｄｙ　ａｎｄ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｉｎ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｏｆ　ＣＦＸ．Ｈｙ－ｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗａｋｅ　ｆｉｅｌｄ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｃｈａｎｇｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗａｋｅ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ＣＦＤ　ｍｏｄｅｌ．Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｉｎ－ｄｕｃｅｄ　ｆｏｒｃｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｋｅ　ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｑｕｏｔｅｄ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｆｏｒｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｄａ　ｃｏｍｍｏｎ　ｗａｙ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｅｘｉｔｅｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｆｏｒｃｅ；　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ－ｒｕｄｄｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ；　ｗａｋｅ；　ＣＦＤ收稿日期：２０１４－０５－２７．基金项目：国家高技术船舶专项（２０１４ＢＡＧ０４Ｂ０２）．作者简介：陈如星（１９８９－），男，硕士生．Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｒｕｘｉｎｇ２０１２＠１６３．ｃｏｍ在周向非均匀伴流场中运转的螺旋桨将产生周期性的激振力，其中作用在桨叶上的非定常力通过桨轴轴承传递给船体，因此这类激振力又称作轴承力。