充液管道振动特性理论与实验研究

论文摘要

充液管道中流体的压力脉动和管壁的振动会引起系统很大的辐射噪声甚至会导致管路系统的疲劳破坏,其激励源可能是流体激励或机械激励。系统的振动能量会分布在流体和管壁中,由于流固耦合作用,二者的能量相互间会进行传递和转化。能够将系统在不同形式激励下的能量传播过程进行准确和清晰的描述,对这类系统的设计以及振动噪声控制会起到一个非常好的指导性作用。本文则立足于这一点,重点研究了充液管道系统的振动结构声强特性,对耦合系统振动能量传递和转化进行了详细的计算和分析。首先利用Flugge壳体理论和流体声压方程,根据耦合条件,求解了所有类型的波数解,包括实数、纯虚数和复数解,并且对每种波的特性进行了更为全面的探讨。利用经典解法留数定理,求解了系统强迫振动响应,得到了径向激励低阶周向模态振动下的原点和跨点导纳,并且进行了分析。结合结构声强理论,计算了充液管道在沿周向线分布的径向力、点力和流体中单极点声源激励下系统的结构声强矢量,并与未充液管道的结果进行了比较,以探讨流体对结果的影响。接下来根据管壁结构声强和内部流体声强的内在关系,得到了在管壁不同形式径向激励下管壁、流体进行能量交换的结果,表明两种介质进行能量交换或相互转化的方式有所不同,主要体现在圆周方向上。之后,讨论了管内流体流速对系统输入能量流、耦合系统结构声强结果的影响。应用波传播分析方法,以实际工业常用管道为计算模型,讨论了典型边界下耦合系统的固有特性,将这一方法应用于实际问题计算时的精度做一讨论,结果表明,这种方法可以在实际中应用,相对简便而且计算结果可信。在此基础上,讨论了流体存在流速时对不同阶固有频率的影响规律。最后,搭建了充液管道系统实验台架,采用管道的壳体和内部流体两种激励形式,测量系统的振动特性,利用波周向分解方法,得到了呼吸模态、梁模态下共四支传播波的模态加速度分解结果,在此基础上结合能量流计算理论,得到了在较低振动频段内,系统中每支传播波携带能量的相对大小,并且与理论分析结果进行对比,结果表明,理想的无限长充液管道计算结果仍然能对实际系统有一定的指导性作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 充液管道模型研究现状
• 1.3 耦合系统振动能量流研究进展
• 1.4 有限长管道振动特性研究方法
• 1.5 管道系统实验特性研究
• 1.6 课题研究内容
• 第2章 充液管道振动特性
• 2.1 耦合系统振动方程
• 2.1.1 振动方程推导
• 2.1.2 解的形式
• 2.2 系统自由振动
• 2.2.1 波数解
• 2.2.2 波数解物理意义
• 2.3 强迫振动分析
• 2.3.1 留数定理应用
• 2.3.2 强迫振动结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 耦合系统振动能量研究
• 3.1 结构声强相关理论
• 3.2 输入能量流
• 3.3 结构声强
• 3.3.1 周向分布力激励
• 3.3.2 径向点力激励
• 3.3.3 流体激励
• 3.4 流、固能量交换分析
• 3.4.1 周向分布力激励
• 3.4.2 径向点力激励
• 3.5 本章小结
• 第4章 考虑流速时耦合系统振动特性分析
• 4.1 相关理论
• 4.2 流速对系统能量分布的影响规律
• 4.2.1 波数解
• 4.2.2 流速对输入能量流的影响
• 4.2.3 流速对能量传播与分布的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 典型边界条件下有限长充液管道固有特性
• 5.1 基本原理
• 5.2 静流
• 5.3 考虑流速
• 5.4 本章小结
• 第6章 充液管道相关实验研究
• 6.1 实验装置简介
• 6.2 实验基本原理
• 6.3 实验内容
• 6.3.1 末端处理效果
• 6.3.2 能量流测量
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢