流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

[目的]为了研究流激开孔和空腔结构耦合振动噪声,[方法]采用模型试验方法,通过改变孔腔开口大小、来流速度和腔体厚度等,分析其对剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响。[结果]研究表明:空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中情况,剪切振荡频率和剪切振荡量级均与来流速度呈正比;未发生开孔和空腔耦合共振时,腔体壁面刚度仅略微影响剪切振荡量级,而不影响剪切振荡模态频率;在特定的开口和流速下,剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合,产生剧烈的谐频共振以及极大的自噪声与辐射噪声。[结论]研究结果可为潜艇舷外开孔和附近结构设计,以及孔腔结构噪声控制提供有益的探索和技术支撑。     

不同流速下磁悬浮支撑单圆柱振子流致振动响应分析

利用流致振动进行海流能发电是当前可再生能源研究的重点,用磁悬浮支撑代替金属弹簧提供弹性回复力能有效延长装置使用寿命。本文基于等效磁荷法对永磁体间磁力求解,构造磁力弹簧位移函数,将磁力函数代入到STAR-CCM+中利用流固双向耦合法对单圆柱振子进行计算,研究磁悬浮支撑单圆柱振子在不同流速下的振动响应。结果表明：永磁弹簧压缩量为1.2D情况下,l=0.06 m的振子在0.4～1 m/s流速区间内能够保持较高的振幅与频率,l=0.07 m和l=0.08 m的振子在0.8～1 m/s流速区间内的频率较大,能达到2.6 Hz。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

开口与空腔流激声共振及声辐射研究综述

水下航行体表面边界层流经腔口时,剪切振荡与空腔声模态耦合共振产生的线谱噪声是流激噪声的一种主要机理。文章针对腔口剪切振荡及其与空腔声场耦合共振和声辐射的机理及基本特征,归纳梳理了国内外的研究现状,概述了空腔及腔口流动和声辐射控制的主要途径和方法,并提出了流激空腔噪声研究的主要问题。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

阶梯来流下流速对细长柔性立管涡激振动的参数分析

涡激振动是深海立管结构设计的关键,基于开源Open FOAM平台自主开发出细长柔性立管涡激振动流固耦合的求解器viv-FOAM-SJTU.以标准算例为基础,研究在阶梯状来流作用下,不同来流流速对细长柔性立管涡激振动的影响.数值模拟的立管长细比L/D=469,质量比为3.0,立管的下端45%的长度被置于均匀来流中,剩余部分被置于静水中.考察的均匀来流的有3种,分别为U=0.2、0.4、0.6 m/s,其中流速为0.6 m/s的情况与Francisco的标准实验一致.数值计算结构显示流速的变化会导致立管的泻涡频率发生变化,进而影响立管的振动频率,流速越高立管振动模态也越高.     

基于大涡模拟和Kirchhoff积分方法的孔腔流动发声机理分析

孔腔流动与流激噪声是流声耦合研究领域的重要课题。文章基于大涡模拟方法与Kirchhoff积分,探讨了水中孔腔流动的发声机理。由孔腔流动振荡模态分析可知,在水中较低马赫数情况下,流体共振模态极难存在,故而流体动力振荡是产生孔腔流激噪声的根源,从而揭示了孔腔流激噪声形成的机理。进而又基于Kirchhoff控制面积分与物体壁面积分,辨识了偶极子声源和四极子声源对于流激噪声影响量级以及频谱分布规律,并结合流体动力声源的数学表达、Lighthill应力张量的频谱分析和壁面效应分析,指出了孔腔中涡旋对于流场脉动量声学效应的输运作用是孔腔流激噪声传播的成因,从而揭示了孔腔流激噪声传播的机理。     

秦皇岛市人工岛工程潮流数值模拟研究

建立基于三角形网格的二维潮流数学模型,对秦皇岛市旅游休闲人工岛工程开展了潮流数值模拟研究。所建模型反映了该海域往复流形式的运动特征,流向主轴与等深线基本平行。模型结果表明:(1)人工岛建设影响范围仅限于人工岛周围局部海域。山海关港区及航道、秦皇岛港区及航道分别处于人工岛东西两侧流速减小区域内,山海关港区与秦皇岛港区间近岸水域处于流速增大区域内。(2)人工岛位置对流场影响较小,流速变化基本控制在0.10 m/s以内。最大涨、落潮流速变化分别为0.09 m/s和0.06 m/s。(3)双鱼造型轮廓光滑,水道内平均流速控制在0.36 m/s以内,最大流速为0.68 m/s。     

均匀流场中含自由液面的陷落腔脉动压力分布研究

在有自由液面的情况下,针对横剖面为圆形的陷落腔模型,在均匀流场条件下,开展水动力实验研究,模拟了大量的工况,测量了腔体壁面的流体脉动压力.本文分析了模型所受的脉动压力随傅汝德数在不同腔体位置的变化趋势,并讨论了晃荡现象对压力分布的影响.实验时发现,傅汝德数小于0.35的工况有明显的晃荡现象发生,而傅汝德数小于0.35的工况的脉动压力系数也明显大于其他工况,且变化剧烈.本文认为,流体剪切层自持振荡与腔内液体深度驻波振荡共振是产生晃荡现象的原因,本文实验中Fr≤0.35的工况对应的流速正是达到以上两种振荡频率耦合所需要的流速.本文对工程应用中的腔体尺度和形式的设计有一定的指导意义.     

岷江龙溪口枢纽船闸口门区水流条件数值模拟研究

岷江是是联系周边省市和长江中下游地区的重要通道,船舶的安全航行对该航道的通航安全具有重要意义。通过建立基于非结构化网格的平面二维非恒定流数学模型,对龙溪口电站下泄非恒定流条件下船闸下游口门区附近的水流流场进行了数值模拟。根据模型计算结果可知,对于工况一流量从单机533m~3变化到2,665m~3的过程中,该区域回流流速均控制在0.3m/s以内,满足通航需求;对于工况二右岸引航道下游700m均为主流回流区,回流流速在0～0.4m/s之间,口门区回流平缓,未超过规范要求的0.4m/s;对于工况三当第5～7台机组完全开启时局部最大横向流速已经超过规范规定的Ⅲ级航道横向流速最大标准。该模型的建立为电站机组开启和关闭时间的确定提供指导,减缓水位和流量的骤变对船舶航行带来的影响,对进一步认识岷江航电枢纽下泄非恒定流对通航带来的影响具有一定的促进作用。     

基于EMD和2（1/2）维谱的直升机声信号特征提取

利用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）的方法将直升机声信号进行分解,得到一系列本征模态分量（Instrinsic Mode Function,IMF）。计算实际直升机声信号及由其分解得到的每个IMF分量的四阶累积量对角切片谱,并由此得到实际信号及每个IMF分量的四阶累积量对角切片谱的幅度绝对值之和E。计算每一个IMF的E值与实际信号E值的比值构成直升机声信号特征矢量。采用神经网络分类器,对两种不同机型的直升机声信号进行分类和识别。仿真实验验证了该方法是可行的、有效的,分类识别取得了较好的效果。     

基于小波降噪的经验模式分解方法研究

通过正常工况下的转子位移信号,分析不同幅值噪声对经验模式分解(EMD)分解的影响。对于幅值较小的随机噪声,EMD分解可以自适应地将主要特征信息从噪声中分解出来。而对于幅值较大的噪声,小波降噪的EMD分解则可以有效避免模态间能量泄漏,从而得到准确的分析结果。     

基于EMD与三阶累积量的水声瞬态信号检测

提出了基于经验模态分解(EMD)与三阶累积量的水声瞬态信号检测方法.首先根据EMD方法的滤波器特性将待检信号在频域内分成一系列的本征模态函数(IMF)分量,并根据能量法选择信号占主导地位的IMF;然后运用高阶累积量抑制高斯信号的特性,计算IMF分量三阶累积量对角切片的短时估计,并构造检测函数,对检测函数时行包络检波,作为检测标准;最后用仿真数据对该方法进行了验证,结果表明能在较低信噪比下检测出目标信号的出现时刻和大致频率,具有一定的工程应用价值.     

深海矢量噪声场声传播特性研究

矢量声压振速联合处理是建立在信号的声压和质点振速相位基础上,海洋环境边界对声传播的影响将改变矢量声场声压和质点振速的幅度和相位特性。文章根据南海环境条件和水下目标辐射噪声测量采用矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声源和水下点声源矢量场的幅度和相位随深度的变化,并对矢量水听器测量系统获取的南海典型深度上的背景噪声数据进行了分析。结果表明:深海背景噪声声压谱级在500 Hz以下基本上不随深度变化,在500 Hz-3 kHz频段浅深度背景噪声声压谱级略高于较深深度的背景噪声声压谱级;背景噪声的垂直质点振速谱级要小于声压和水平质点振速谱级。     

水面舰船流噪声数值预报研究与应用

在梳理流噪声数值预报方法的基础上,采用流场大涡模拟（large eddy simulation,LES）和声学边界元（boundary element method,BEM）方法在频域内计算预报了船体流噪声谱曲线,求取了其等效声中心.LES计算时选用动力学Smagorinsky-Lilly（dynamic Smagorinsky-Lilly,DSM）亚格子应力模型,流噪声由船体壁面脉动压力和法向速度特性决定,声源节点和声节点变量传递采用一对一的守恒传递方式.结果表明：某型船在航速14 kn时,裸船体流噪声在20 Hz~2 kHz频段内总声源级为133dB;当计算有效频段扩展到20 kHz时,总声源级达143.3 dB.流噪声主要来源于兴波引起的涡量,且主要集中于100 Hz~10 kHz频段.球首尾流区和船体尾涡区对流噪声辐射量贡献明显,特别是球首尾流区,对全频段都有明显的贡献,为水面舰艇流噪声研究提供了一条新的途径.     

Application of an improved EEMD method in bearing fault diagnosis of induction motors北大核心CSCD

[Objective]In order to overcome the disadvantages of the traditional ensemble empirical mode decomposition (EEMD) method in selecting parameters (integration time and white noise amplitude coefficient) based on experience, and reduce the cost of calculation time, a fast ensemble empirical mode decomposition (FEEMD) method is used to extract the characteristic frequency. [Method]By changing the distribution density of the added white noise, different signal envelopes can be obtained. Furthermore, we can identify the optimal envelope by finding the optimal search window width of the moving mean filter, thereby avoiding the defect of EEMD selecting parameters by experience. At the same time, after the abnormal component in the signal is decomposed, the residual component can be decomposed by EMD to further save the calculation time cost. Finally, the method is combined with Hilbert envelope demodulation technology and applied to the fault characteristic frequency diagnosis of the bearing inner ring of an asynchronous motor. [Results]As the results show, compared with the traditional EEMD method, FEEMD can extract the fault frequency more efficiently. [Conclusion]FEEMD overcomes the disadvantages of the traditional EEMD method in selecting parameters based on experience and shortens the calculation time. As such, it can be effectively applied in bearing fault frequency extraction experiments. © The Author(s) 2022.     

一种通用型基于经验模态分解的小波阈值滤波方法研究

首先针对中高频水声信号,提出一种改进的经验模态分解加小波软阈值滤波方法;然后将信号进行带通滤波处理及经验模态分解,将分解得到的各个模态转换为频域信号,采用小波软阈值方法在频域上对这些模态进行滤波,最后对信号进行重构,并将其转换为时域信号。分别采用本方法和原时域上的小波阈值方法对不同频率的水声信号进行滤波,经计算分析可知,对频率小于800 Hz的水声信号,采用原方法可获得较好的滤波效果;当信号频率大于800 Hz时,采用本方法的滤波效果更好,因此应针对不同频率的水声信号,选择合适的滤波方法,以获得满意的滤波效果。     

流激噪声数值计算方法及声学积分面影响性研究

在流声耦合领域中,水下航行体复杂流动与流激噪声研究具有重要的学术意义与实用价值。文章对FW-H声学类比方法、渗流FW-H声学类比方法、Kirchhoff方法与Powell涡声理论进行了物理内涵与数学公式的详细比较;然后利用大涡模拟结合四种声计算方法数值计算了三维NACA0015机翼、机翼/圆柱结合体、方腔产生的流激辐射噪声,并与国内外试验结果进行了对比,分析了四种声计算方法的计算精度与计算效率;最后,对围壳流激噪声进行了数值预报与试验验证,计算了围壳在不同水速下的流激噪声变化规律,并探讨了声学积分面对计算结果的影响。     

发动机轴承故障诊断方法的研究

针对EMD（Empirical Mode Decomposition）方法中存在的端点效应和IMF（Intrinsic Mode Function）虚假分量过多的问题,提出了基于互相关的EMD方法。首先,对非平稳性信号进行互相关延拓消除端点效应;其次,对消除端点效应的信号进行EMD分解,并将分解后的IMF与原信号作互相关,保留与原信号最相关的IMF;最后,作出信号的Hilbert边际谱,识别信号的频域特征。仿真结果表明该方法能够有效地克服端点效应,分离出真实IMF。将其应用于船舶发动机滚动轴承故障诊断中,能有效地识别出故障特征。