流致振動(dòng)
關(guān)注創(chuàng)建者：砥力 創(chuàng)建時(shí)間：2019-12-24
流致振動(dòng)的視頻教程
基于ANSYS Workbench的渦致振動(dòng)流固耦合模擬
使用ANSYS Workbench平臺(tái)搭建渦致振動(dòng)仿真框架。著重介紹如何先進(jìn)行解耦計(jì)算，再進(jìn)行耦合計(jì)算。視頻適用于流固耦合方向的高校學(xué)生；流致振動(dòng)工程師；橋梁安全設(shè)計(jì)工程師；對(duì)流固耦合感興趣的人群。
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流致振動(dòng)的實(shí)例教程
2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲計(jì)算方法與流程
2.1 流致噪聲數(shù)值計(jì)算方法介紹
由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械流致噪聲的特殊性，不單會(huì)產(chǎn)生純流動(dòng)產(chǎn)生的湍流噪聲問(wèn)題，有時(shí)候還會(huì)存在由于流動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲問(wèn)題，因此，對(duì)該問(wèn)題的數(shù)值模擬就提出了很大的挑戰(zhàn)，也就是既要考慮流動(dòng)噪聲，同時(shí)還需要考慮結(jié)構(gòu)聲透射及聲輻射等問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上可以提供多種方法對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，大多數(shù)以考慮純流動(dòng)引起的湍流噪聲為主，而具備對(duì)流致振動(dòng)噪聲的模擬方法比較少。
首先，基于空壓機(jī)工作過(guò)程流場(chǎng)計(jì)算，將流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為聲學(xué)的激勵(lì)，進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)聯(lián)合仿真，分析預(yù)測(cè)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲特性。其次，通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證并完善流場(chǎng)及聲場(chǎng)的數(shù)值模型，分析壓縮機(jī)幾何特性對(duì)流場(chǎng)及聲場(chǎng)的影響，將結(jié)果反饋到壓縮機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)上，如轉(zhuǎn)子/葉輪型線和間隙、吸排氣流道等部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，源頭上抑制流致性振動(dòng)噪聲。最后，針對(duì)已經(jīng)研發(fā)定型的空壓機(jī)產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)氣流脈動(dòng)衰減腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等，路徑上衰減流致性振動(dòng)噪聲。
2.1 噴油螺桿空壓機(jī)
噴油螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)齒輪、軸承和殼體向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲。壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，存在內(nèi)壓縮過(guò)程，不可避免的產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，通過(guò)吸氣孔口和排氣孔口向外輻射。隨著機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到控制，流致性振動(dòng)噪聲成為制約著壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的主要因素。噴油空壓機(jī)噪聲以低頻為主，主要集中在陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合頻率的前6倍頻，尤其是前4倍頻更為顯著。
根據(jù)噴油螺桿機(jī)振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，基于聲波干涉技術(shù)，在排氣端面上設(shè)計(jì)一款氣流脈動(dòng)衰減裝置，即利用旁支流道與主流道的流程差，產(chǎn)生兩路幅值相等、相位相反的氣流脈動(dòng)，相互抵消，從排氣源頭上衰減排氣氣流脈動(dòng)，如圖2所示。通過(guò)壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試分析，結(jié)合理論研究，設(shè)計(jì)出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案，使200kW機(jī)組法蘭面振動(dòng)下降到10m/s^2以內(nèi)，改善了50%，空壓機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)1m距離處噪聲改善5.0dBA，降低到80dBA以內(nèi)。
2.2 無(wú)油螺桿空壓機(jī)
相對(duì)于噴油壓縮機(jī)，無(wú)油壓縮機(jī)采用同步齒輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子間不接觸，避免了轉(zhuǎn)子嚙合過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，以氣動(dòng)噪聲為主。
展開(kāi) 圖6 橋梁渦激振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果
圖7 橋梁上下某兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的速度演變
5. 優(yōu)化設(shè)計(jì)
在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)橋梁氣動(dòng)外形修型，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼等方法避免和減緩在設(shè)計(jì)工況下的橋梁的風(fēng)致振動(dòng)。下面以一種優(yōu)化后的橋梁橫截面為例，計(jì)算優(yōu)化后的模擬結(jié)果。
圖8 某懸索橋梁的優(yōu)化橫截面
在相同條件下的渦激振動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖9所示，同樣的，在橋梁上下選擇兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)測(cè)量速度隨著時(shí)間的變化如圖10所示。
圖9 優(yōu)化后橋梁渦激振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果
圖10 優(yōu)化后橋梁上下某兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的速度演變
6. 結(jié)論
（1）ABAQUS CFD模塊能有效地模擬橋梁渦激振動(dòng)；
（2）ABAQUS數(shù)值模擬可以計(jì)算強(qiáng)風(fēng)作用下橋梁周圍的空氣動(dòng)力學(xué)特征；
（3）優(yōu)化后的橋梁橫截面減弱了渦激振動(dòng)現(xiàn)象，能為實(shí)際工程提供參考。
圖11 優(yōu)化前后橋梁周圍的空氣動(dòng)力學(xué)特征
7. 計(jì)算配置
處理器：Intel(R) Core(TM) i7-9700K CPU @ 3.60GHz
內(nèi)存：32G
計(jì)算時(shí)間：5H
8. 參考資料
維基百科卡門渦街詞條: en.wikipedia.org
任少鐸. 卡門渦街的成因及虎門大橋的振動(dòng)分析[J]. 物理教師, 2020, 41(09): 57-59+61.
張偉偉, 豆子皓, 李新濤, 高傳強(qiáng). 橋梁若干流致振動(dòng)與卡門渦街[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 38(03): 405-412.
Abaqus分析模型.zip
橋梁渦激振動(dòng)問(wèn)題的ABAQUS數(shù)值模擬-iCPFEM.pptx
卡門渦街的成因及虎門大橋的振動(dòng)分析_任少鐸.pdf
橋梁若干流致振動(dòng)與卡門渦街_張偉偉.pdf
展開(kāi) 雙螺桿式制冷壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲可以分為陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合接觸過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲、電機(jī)工作過(guò)程中交變的電磁力作用于定子所產(chǎn)生的電磁性振動(dòng)噪聲和周期性吸排氣過(guò)程中產(chǎn)生氣流脈動(dòng)所誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲。由于螺桿式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，在滿足裝配工藝的情況下，電磁振動(dòng)噪聲相對(duì)較小，筆者不再詳述。
圖 1 雙螺桿式制冷壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)
1.1 振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生誘因
1.1.1 機(jī)械性振動(dòng)噪聲
雙螺桿式制冷壓縮機(jī)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過(guò)相互嚙合實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，齒面接觸時(shí)不可避免地產(chǎn)生沖擊與接觸，形成周期性的交變應(yīng)力，誘發(fā)轉(zhuǎn)子軸系產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子多是金屬部件，本身存在一定的撓性，當(dāng)加工或者裝配過(guò)程中存在較大誤差時(shí)容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸系的不對(duì)中和不平衡等問(wèn)題，加劇軸系的振動(dòng)。
雙螺桿式制冷壓縮機(jī)軸承主要包括無(wú)滾動(dòng)體的滑動(dòng)軸承和有滾動(dòng)體的球軸承、圓柱軸承和圓錐軸承等，承受軸系的徑向力和軸向力，是將壓縮機(jī)軸系振動(dòng)向外傳遞的關(guān)鍵途徑之一。當(dāng)滑動(dòng)軸承出現(xiàn)異常的摩擦或者潤(rùn)滑不充分時(shí)，或者當(dāng)滾動(dòng)軸承的滾道受到離散的滾動(dòng)體的周期性沖擊時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)放大。此外，軸承間隙會(huì)影響陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子軸系的同軸度，對(duì)軸系振動(dòng)產(chǎn)生不利影響。
雙螺桿式制冷壓縮機(jī)殼體結(jié)構(gòu)部件作為振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)的載體，當(dāng)其結(jié)構(gòu)模態(tài)的固有頻率與激勵(lì)頻率接近將產(chǎn)生共振，放大殼體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，激發(fā)更高的噪聲。
1.1.2 流致性振動(dòng)噪聲
雙螺桿式制冷壓縮機(jī)在吸氣、壓縮和排氣過(guò)程中，由相互嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒和齒槽及與其精密配合的殼體壁面形成的工作容積發(fā)生周期性的變化，產(chǎn)生周期性的氣流脈動(dòng)，引起流致性振動(dòng)噪聲。
展開(kāi) 本案例選取了CALIFS實(shí)驗(yàn)作為參考實(shí)驗(yàn)，使用code_saturne測(cè)試軟件針對(duì)燃料組件的流致振動(dòng)現(xiàn)象模擬能力。
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流致振動(dòng)的最新內(nèi)容
從事渦輪機(jī)械、混合器、閥門、振蕩結(jié)構(gòu)或流致振動(dòng)相關(guān)工作的工程技術(shù)人員
6. 尋求以**案例實(shí)操**為核心的OpenFOAM學(xué)習(xí)路徑，而非純理論教學(xué)的學(xué)習(xí)者
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特殊現(xiàn)象的處理</strong></p><p>流致振動(dòng)：鈉冷快堆的堆芯結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)流致振動(dòng)現(xiàn)象，需要在CFD計(jì)算中考慮這種現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用頻譜分析或流固耦合處理。</p><p>自然循環(huán)：在完全喪失電源的情況下，鈉冷快堆依靠一回路的自然循環(huán)進(jìn)行冷卻，需要模擬這種自然循環(huán)的流動(dòng)特性，可采用Boussinesq假設(shè)或者變密度處理。
作品名稱：四通換向閥流致振動(dòng)特性的數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證
作品類型：文本
作者及單位：張克鵬 | 浙江大學(xué)
作品簡(jiǎn)介：為了改善熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱工作方式發(fā)生變化時(shí)，四通換向閥(FWRV)產(chǎn)生的低效率和故障，對(duì)FWRV的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有重要意義。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械流致噪聲主要包括兩大類噪聲源：湍流噪聲和流致振動(dòng)噪聲。湍流噪聲主要由其內(nèi)部非穩(wěn)定流動(dòng)所引起的，從湍流噪聲產(chǎn)生的機(jī)理看，主要分旋轉(zhuǎn)噪聲（離散噪聲）和渦流噪聲（寬頻噪聲）兩大類；而流致振動(dòng)噪聲則是由于流體流動(dòng)產(chǎn)生的湍流脈動(dòng)和聲脈動(dòng)壓力作用在結(jié)構(gòu)上，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，如果激勵(lì)源頻率接近系統(tǒng)的某階固有頻率，將會(huì)引發(fā)共振而劇烈振動(dòng)，從而輻射較強(qiáng)的噪聲。
離心式制冷壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲可以分為機(jī)械性振動(dòng)噪聲和流致性振動(dòng)噪聲。
轉(zhuǎn)子區(qū)域?yàn)榇笞冃螀^(qū)域，需要建立高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；
2、需要考慮陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間極微小的嚙合間隙；
3、需要設(shè)置轉(zhuǎn)子部分的動(dòng)網(wǎng)格，描述由于轉(zhuǎn)子流體域大變形所引起的流場(chǎng)變化；
4、對(duì)于雙螺桿壓縮機(jī)，需要同時(shí)對(duì)流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性（泄露、傳熱，排氣孔口流動(dòng)）的過(guò)程進(jìn)行研究；
5、對(duì)于雙螺桿泵則需要考慮流場(chǎng)內(nèi)部的空化效應(yīng)；
6、需要考慮由于流場(chǎng)擾動(dòng)引起的流致振動(dòng)及噪聲
另一方面空壓機(jī)工作過(guò)程中，氣體壓力升高，壓力就偏離了原來(lái)的位置，誘發(fā)壓力波動(dòng)（壓差），通過(guò)機(jī)殼和管道等部件向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲，產(chǎn)生流致性振動(dòng)噪聲。因此，根據(jù)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，空壓機(jī)可以劃分為機(jī)械性振動(dòng)噪聲和流致性振動(dòng)噪聲，主要來(lái)源于轉(zhuǎn)子等運(yùn)動(dòng)部件和氣流脈動(dòng)的誘發(fā)激勵(lì)。
本案例選取了CALIFS實(shí)驗(yàn)作為參考實(shí)驗(yàn)，使用code_saturne測(cè)試軟件針對(duì)燃料組件的流致振動(dòng)現(xiàn)象模擬能力。
STAR-CCM+中，可以用上述案例的方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流致振動(dòng)的耦合計(jì)算，進(jìn)行氣動(dòng)彈性及響應(yīng)分析等，流固耦合已經(jīng)成為研究復(fù)雜非定常流動(dòng)及葉片振動(dòng)的有力工具。
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橋梁若干流致振動(dòng)與卡門渦街[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 38(03): 405-412.
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