船舶典型充汽管路水动力特性数值预测

建立船舶典型充汽管路三维计算模型,运用计算流体力学方法进行充汽管路流体水动力特性数值研究,捕捉流体压力、流速、密度、湍流动能等关键参数分布规律,基于流致振动预测机理,揭示与流致振动密切相关的流体流动能量。计算结果显示:充汽管路弯头部位产生由外壁向内壁发展的二次流动现象,导致弯头区域呈现内壁压力小、流速高、密度小、湍流动能及耗散率高等情况;基于流体流动能量分布规律,充汽管路弯头区域能量出现最大值,且弯头内壁流动能量高于外壁,可以预测充汽管路弯头内壁侧承受流致振动破坏较严重,实际充汽管路检测数据验证了数值预测结果。     

来流角度对方柱流致振动的影响

方形结构由于存在几何棱角,在来流作用下会发生复杂的振动响应,是流致振动能量收集的理想结构。本文针对方柱流致振动开展数值模拟研究,分析不同来流角度下柱体的流致振动类型,揭示截面几何特征、来流角度对柱体振动响应、流体力及相位变化、尾流结构的影响。研究结果表明,来流角度是影响方柱振动响应和振动模式的重要因素,当来流角度为0°时,方柱会产生驰振响应,尾流结构发生斜向偏移且周期内漩涡脱落丰富,导致柱体呈低频高幅振动;来流角度在15°≤θ≤30°时,方柱产生涡激振动与驰振耦合的振动响应,来流角度为45°时,方柱发生涡激振动响应;从能量俘获角度,控制来流角度使方柱发生驰振响应,从而实现大范围流速下的海洋能量汲取。     

船舶管路安装工艺减振试验研究

船舶管路系统振动噪声控制问题极大影响船舶的声学性能，以某型船海水冷却管路为研究对象，对不同安装工艺参数下管路的振动响应进行试验研究，分析管内介质流速、管支架间距、弯管弯曲半径、抬升管抬升角度等多组工艺参数对振动传递的影响。结果表明：管支架间距、管支架刚度等对振动传递影响较大，弯管弯曲半径、抬升管抬升角度对管子后端的振动也有明显影响。获取的试验数据不仅为该型船动力管路的减振安装提供了工艺支撑，还为其他船型动力管路系统安装提供了低噪声建造工艺实施的参考，也为管路振动的理论研究提供了数据支撑。     

流固耦合作用下的注水管路流激振动噪声数值模拟

大压差工况下,船舶内部液舱自流注水时管路振动噪声问题突出。采用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程,计算分析典型工况下注水系统管内流场。考虑管内液体对管道结构振动的影响,计算注水管路的"湿模态"。以管路壁面流体压力脉动作为激励源,基于有限元法对流固耦合作用下管道结构的振动和流激振动辐射噪声进行数值模拟。对阀门上下游不同监测点的流激振动噪声频谱进行分析,探究管路流激振动噪声产生、传播和衰减规律。分析结果表明:注水系统管道结构流激振动噪声沿管道传播基本无衰减;流激振动噪声频带较宽,主频率为80 Hz;管道结构的流激振动噪声整体幅值较大,需要采取增加弹性管卡等措施进行治理。     

流固耦合作用下的注水管路流激振动噪声数值模拟

大压差工况下,船舶内部液舱自流注水时管路振动噪声问题突出。采用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程,计算分析典型工况下注水系统管内流场。考虑管内液体对管道结构振动的影响,计算注水管路的“湿模态”。以管路壁面流体压力脉动作为激励源,基于有限元法对流固耦合作用下管道结构的振动和流激振动辐射噪声进行数值模拟。对阀门上下游不同监测点的流激振动噪声频谱进行分析,探究管路流激振动噪声产生、传播和衰减规律。分析结果表明:注水系统管道结构流激振动噪声沿管道传播基本无衰减;流激振动噪声频带较宽,主频率为80 Hz;管道结构的流激振动噪声整体幅值较大,需要采取增加弹性管卡等措施进行治理。     

推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响

[目的]为研究推力轴承基座结构形式对潜艇辐射噪声的影响,[方法]采用有限元法和有限元耦合流体边界元法,分析不同纵向激振力分布形式下耐压艇体结构的振动响应特征,得出力对称分布有利于减小振动的结论。然后,据此设计对称式推力轴承基座,通过选择不同的构件尺寸控制系统的纵向刚度,分别计算采用对称式和传统推力轴承基座时潜艇的结构振动响应和辐射噪声。[结果]研究表明,在螺旋桨纵向激振力一定的情况下,采用对称式推力轴承基座能够明显降低艇体结构的振动强度和辐射噪声。[结论]所做研究可为潜艇推力轴承基座结构的声学优化设计提供参考。     

水锤冲击时管路系统流固耦合响应的特征线分析方法研究

本文以Wiggert 和Hatfield[3]的特征线分析方法为基础,研究管路在水锤冲击下考虑泊松耦合时流体和结构的瞬态响应.推导了分别对应于管中流体压缩波和管壁中纵波的特征关系式和相容方程,并联合采用空间插值和显式时间插值进行数值求解.针对经典的水锤压力冲击的算例,将边界和初始条件离散化,编制了MATLAB程序进行计算,获得管道中流体压力和流速及轴向应力和振动速度的时程曲线,计算结果与理论分析相当吻合.根据计算结果,提出了对于实际管路设计和水锤防护有益的结论.鉴于特征线法本身的优势,有望在管路系统抗冲击设计分析和防护研究中得到进一步的应用.     

船用海水冷却管路冲击响应计算

为研究船用复杂管路系统的抗冲击性能,以推进柴油机海水冷却管路系统为研究对象,建立完整的管路模型,包括对管路附件、连接设备及支、吊架的模拟。为分析管内液体对管系抗冲击性能的影响,采用折算流体体积法和考虑流固耦合的ALE算法进行计算对比,得出液体影响折算系数。研究结果表明：计算时应根据管径对液体的影响系数进行折减;管路系统在弯头与三通处易产生塑性变形;垂向冲击载荷作用下垂直弯头的响应远大于水平弯头。     

船用海水冷却管路冲击响应计算

为研究船用复杂管路系统的抗冲击性能,以推进柴油机海水冷却管路系统为研究对象,建立完整的管路模型,包括对管路附件、连接设备及支、吊架的模拟。为分析管内液体对管系抗冲击性能的影响,采用折算流体体积法和考虑流固耦合的ALE算法进行计算对比,得出液体影响折算系数。研究结果表明:计算时应根据管径对液体的影响系数进行折减;管路系统在弯头与三通处易产生塑性变形;垂向冲击载荷作用下垂直弯头的响应远大于水平弯头。     

基于波动法的双层板振动功率流分析

[目的]耦合双层板结构是船体中的常见结构,研究其结构振动及其功率流特性具有重要意义。[方法]基于薄板理论,采用波动法建立有限尺寸双层板的振动模型,在结构耦合及激励处离散,由连续条件将各离散板的运动方程组装。运用上述方法,验证波动法解析解与有限元法数值解的准确性。在此基础上,分析激励力角度、连接件角度及其厚度对振动功率流的影响。[结果]研究结果表明:弯曲振动功率流和面内振动功率流均随着频率的增加而增大,而面内振动功率流在低频段远小于弯曲振动功率流,随着频率的增加,二者逐渐靠近;弯曲振动功率流在全频段随着激励力角度的增加而增大,面内振动功率流在高频段随之减小;随着连接件的倾角和厚度的增大,都会使接收板的振动功率流降低。[结论]研究结果对于双层板结构的设计及应用具有一定的参考价值。     

管路敷设橡胶层对圆柱壳结构振动与声辐射的影响

以内部设有管路的圆柱壳结构为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元算法,针对管路内、外敷设不同厚度橡胶层时,圆柱壳结构水下振动与声学特性进行数值计算,从圆柱壳结构振动位移和辐射噪声2个方面探讨管路内、外敷设橡胶层对圆柱壳结构水下振动与声辐射的影响。这对水下结构物的声学结构优化具有重要意义。结果表明:对于本算例,管路内、外敷设橡胶层对降低圆柱壳结构水下振动与辐射噪声具有良好效果,并且管路敷设橡胶层越厚,减振降噪效果越好。     

管路敷设橡胶层对圆柱壳结构振动与声辐射的影响

以内部设有管路的圆柱壳结构为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元算法,针对管路内、外敷设不同厚度橡胶层时,圆柱壳结构水下振动与声学特性进行数值计算,从圆柱壳结构振动位移和辐射噪声2个方面探讨管路内、外敷设橡胶层对圆柱壳结构水下振动与声辐射的影响.这对水下结构物的声学结构优化具有重要意义.结果表明:对于本算例,管路内、外敷设橡胶层对降低圆柱壳结构水下振动与辐射噪声具有良好效果,并且管路敷设橡胶层越厚,减振降噪效果越好.     

管路结构振动能量传递规律研究

为研究管路系统中振动能量的传递规律,建立了2根半无限长管道结构的纵弯耦合振动模型,基于波分析法,分别研究了2根管道在各类不同的连接边界条件下,弯曲波振动传递规律。引入无量纲系数,简化方程组,推导出弯曲波入射时在不同边界条件下的反射及透射系数。通过数值分析得到了弯曲波入射条件下,参数变化对振动能量传递规律的影响,研究结果表明两管连接刚度主要影响高频振动,两管夹角主要影响低频振动,扭转刚度会使振动能量曲线产生波谷,且当扭转刚度值较低时,对低频振动影响较大,计算结果对管路结构在不同工况下连接参数的选择具有指导作用。     

典型舰船循环水系统管路振动特性

舰船管路系统中的流体介质在管路源设备的作用下沿管路传输会产生振动和噪声。以典型舰船循环水系统的管路模型为研究对象,借助有限元软件分析该管路系统介质、管路支座布置间距等工艺参数对其固有频率的影响规律,数值分析管路系统简谐激励下进出阀门、法兰等关键位置的振动特性。结果表明:循环水管路系统各阶固有频率随固定支座间距的减小显著增大,且高阶固有频率增幅更为显著;循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈,应采用相应的减振降噪措施。     

空间不均匀流场诱发螺旋桨振动的实验研究

[目的]为获得空间不均匀流场诱发的螺旋桨振动随其固有频率的变化关系,进行实验研究。[方法]实验获得两种几何外形相同而材料不同的七叶大侧斜螺旋桨在不同工况下的动应变。实验中的空间非均匀流场由螺旋桨上游400 mm处布置的4阶或6阶尾流窗产生。在尾流窗下游100 mm处布置激光多普勒测试系统,测得流场的轴向速度分布。利用贴在桨叶不同位置的应变片测试系统测得桨叶振动应变。[结果]获得了桨叶振动随螺旋桨转速与尾流窗变化的规律,在均匀来流条件、4阶和6阶不均匀来流条件下,动应变频谱的最大峰值分别出现在轴频、4倍轴频和6倍轴频处。明确了非均匀流场激励下桨叶固有模态对其振动响应的影响,当6倍轴频激励力的频率与塑料桨的固有频率一致时发生共振,桨叶振动的幅度最大。[结论]本研究表明设计人员设计螺旋桨时,除关注其水动力性能外,应考虑其固有频率的影响。     

低噪声迷宫式控制阀设计原理及数值分析

在舰船水管路系统中,采用控制阀进行管路系统阻力匹配设计并实现低噪声配置。控制阀在水力激励下形成振动噪声并通过管路传递形成船外辐射噪声。为降低管路系统振动及船外辐射噪声,有必要进行低噪声控制阀的设计研制。该文提出了控制阀水力及声学设计方法,采用流体动力学数值方法进行了低噪声控制阀原理分析,验证了分流、多级和迷宫拐角式低噪声设计原理。基于低噪声设计原理设计了包含上层穿孔、中层多迷宫流道和下层少迷宫流道三部分重叠形成的阀套流通结构的分层迷宫式控制阀。阀内流场分析结果显示:阀套出流不均匀形成高速低压区域,易发生空化增大噪声;阀套腔体和阀套沿出流方向出口处形成大尺度漩涡结构,为主要噪声源区域。     

纵横加筋圆锥壳振动特性多目标优化设计

[目的]为了提高结构第1阶总体弯曲模态频率并降低低频范围纵横加筋圆锥壳尾端处的加速度总级,建立纵横加筋圆锥壳振动特性多目标优化设计的数学模型。[方法]采用有限元软件ANSYS对纵横加筋圆锥壳进行参数化建模,分析结构的振动模态以及在纵横加筋圆锥壳尾端施加垂直向下单位集中力情况下结构的响应。以Matlab为平台,使用遗传算法和宽容排序法对纵横加筋圆锥壳振动特性进行多目标优化求解。[结果]结果发现随着宽容度以及目标重量的增大,最优方案结构载荷处的加速度总级减小;单目标优化对于同一个目标值可以有多个方案与之对应。[结论]研究结果可为加筋圆锥壳结构声学设计提供参考。     

管路-圆柱壳耦合振动功率流与声辐射特性研究

管路-内含铺板圆柱壳耦合结构是潜艇、鱼雷等水下航行器装备中的典型结构,为研究管路与圆柱壳结构耦合振动噪声传递的特性,论文采用阻抗综合法,利用耦合点处力与位移连续条件,建立管路-支撑-圆柱壳耦合结构振动计算模型。管路采用考虑流固耦合以及剪切变形的"十四方程"理论,从振动功率流传播视角研究管路系统向内含铺板圆柱壳振动传递的特性,并用边界元软件计算耦合结构远场辐射声功率。计算结果表明:充液管路各簇振动功率流分布与幅值随频率、管路支撑位置而变化,且管路系统输入功率流与耦合系统远场辐射声功率相关。研究结果可为管路系统从能量流角度进行振动控制提供参考。     

舰船载流管道的动态分析

对载流管道在外部激振力和流体激励下的动态响应进行了计算。比较了在不同激振力频率和不同管内流速情况下的管道动态响应。根据舰船管道的实际情况，在载流管系的动态响应分析中引入基础振动的影响。计算分析了舰船管道系统在流体激励、外部干扰力和基础振动情况下的动态响应。     

基于动柔度方法的管路动力吸振器设计研究

[目的]载流管路系统在受到外界激励时会引起振动,为减小载流管路的振动,研究动力吸振器的减振特性,[方法]基于动柔度方法中的被动修改法,推导得出附加弹簧质量系统的多自由度系统的动柔度矩阵,并对该多自由度系统中的目标自由度进行零点配置,使该自由度下的相应振动得到抑制。在此基础上,设计一种管路动力吸振器,并应用到载流管路上进行实验,以验证其减振效果。[结果]结果表明:设计的管路动力吸振器能够较好地吸收目标频率下的振动,且在目标频率相同时,吸振器的调谐质量越大,吸振效果越好。[结论]此管路动力吸振器安装拆卸方便、适用范围广,可为管路减振研究提供一定的参考。