考慮流固耦合的管路系統(tǒng)振動噪聲及特性研究.pdf

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

2、對艦船安全構(gòu)成威脅。
　　 首先忽略流體和管道之間摩擦效應的影響，直管考慮軸向泊松耦合效應，彎管考慮泊松耦合效應以及Bourdon耦合效應，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--直管和彎管的動力學模型。模型包括軸向振動、橫向振動以及管道的扭轉(zhuǎn)振動，一共14個參量的一階時域偏微分方程。然后利用Laplace變換把時域方程變換到頻域，對于直管，對頻域方程經(jīng)過復雜的推導，把14個多元一階偏微分方程轉(zhuǎn)

3、化為14個一元高階常微分方程，對高階方程直接求解得到直管的頻域解析解；對于彎管，借鑒張立翔教授對直管軸向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(一點分支以及多點分支)和錐形管的傳遞矩陣，傳遞矩陣中管段連接點(點傳遞矩陣)處支撐可以為任意形式。一點分支通過分支點處的力平衡和位移平衡得到了任意形狀分支管的點傳遞矩陣，并結(jié)合邊界條件得到了其求解方程；在此基礎(chǔ)上，通過在點傳遞矩陣等式左右添加零矩陣的方法得到了多點分支的傳遞矩陣，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，這些附件都會影響管路系統(tǒng)的動力學行為，對于法蘭、夾具等簡化為一個集中質(zhì)量元件，利用理論力學、結(jié)構(gòu)力學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)的激勵源，因而，利用四端網(wǎng)絡(luò)法以及力學理論，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傳遞矩陣以及場傳遞矩陣，推導出任意管路系統(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、搭建管路試驗臺架，通過測量直管、Y型分支管以及十字型分支管在激勵下的軸向和橫向振動噪聲響應特性參數(shù)，通過與理論預測的對比來驗證理論模型以及方法的正確性，同時也說明本文方法的應用，并從試驗角度對管路流固耦合振動噪聲特性進行分析。
　　 最后，對管路典型部件進行計算，通過調(diào)整管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及支撐形