粘性流场-圆柱壳耦合系统声振特性研究

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本文针对薄圆柱壳-粘性流场耦合系统的振动噪声特性展开研究,首先采用Flügge薄壳理论分析壳体结构振动,然后在忽略热传导影响的前提下,把线性化的连续性方程、线性处理后的Navier-Stokes方程和小振幅波动下的状态方程结合起来得到了粘性流场的声波波动方程,进而运用Helmholtz分解定理并根据声场与圆柱壳外表面的运动协调条件,分别推导并得到了考虑内部流体压力影响前后的粘性流场-圆柱壳耦合系统自由振动耦合声振方程和在周向分布线力作用下受迫振动的耦合声振方程,系统地研究了充粘性流体圆柱壳结构和浸没在粘性流场中的圆柱壳结构这两类声固耦合系统的自由振动特性以及受迫振动特性,着重探讨了流体粘性对耦合系统相关特性的影响,对理论研究和工程应用有一定指导作用。  本文首先考虑薄圆柱壳壳体与由粘性、可压缩流体组成的流场之间的相互作用,分别推导得到粘性流场-圆柱壳耦合系统自由振动的耦合声振方程、流体压力作用下耦合系统自由振动的耦合声振方程和周向分布线力作用下耦合系统受迫振动的耦合声振方程,并指出由于建立模型的思路和采用的方法存在本质上的不同,本文中粘性流场理论模型不能简单退化成理想流场。接着,从耦合系统自由振动的声振方程中提取出耦合系统的频散特征方程,并对其复根的求解技术进行了研究。针对复平面上Winding-Number围线积分方法,本文在前人工作的基础上进行了改进,使得该方法不仅可以在整个复平面上对耦合系统的频散特征方程进行求解并得到频散特征方程所有的复数根,而且在计算过程中积分区域可以自适应地划分,进一步避免了人为因素对计算结果的干扰,弥补了以往数值计算方法的不足。之后再应用此方法计算得到了浸没在粘性流场中圆柱壳结构的固有频率特性和频散特性曲线,并进行了深入分析。当考虑流体粘性的时候,耦合系统的固有频率相对于理想流体的情况来说会减小,其对耦合系统的影响类似于耦合系统刚度变小后的效果。而对于耦合系统频散特性,考虑流体粘性会带来耦合系统中复数波个数的增加、传播波起始频率(即复数波截止频率)的增大并影响各支波轴向波数的大小,而且流体粘性对耦合系统频散特性的影响主要集中在波的起始阶段或者低频段。然后基于耦合系统受迫振动的耦合声振方程,运用了加阻尼数值积分法和十点高斯积分法计算得到了在壳体承受径向余弦线激励力作用下的输入能量流曲线和辐射线功率级曲线,并与理想流场中的输入能量流曲线和辐射线功率级曲线进行了对比。就耦合系统的输入能量流而言,考虑流体粘性后,浸没在粘性流场中圆柱壳结构的输入能量流总体上会变大(尤其是在曲线的峰值处),曲线的峰值会变多,所对应的无量纲频率也会略微增大,而充粘性液体的圆柱壳结构则相反。而对于浸没在粘性流场中圆柱壳结构的辐射线功率来说,考虑流体粘性后,其在环频率附近的峰值相比于理想流场的要大。此外,耦合系统的辐射线功率级曲线在中频段会出现一个非常明显的谷值,并且随着周向模态数的增大,谷值出现的频率变大。这意味着壳体声辐射存在明显的声纹,当然这一新的认识尚有待实验验证。从数值上来看,流体粘性对耦合系统输入能量流曲线和辐射线功率级曲线的影响主要集中在低频段(0.2<Ω<0.7)。最后,以浸没在粘性流场中的薄圆柱壳结构为研究对象,运用基于声压测量的近场声全息声场重建技术,提出了一种新的振动能量流计算方法。这一方法既能考虑流体粘性的影响,还可有效避免积分过程增大噪声的干扰和产生有限差分误差等。
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