多相旋流冲击振动动力学建模与突变分析方法.pdf
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1、Aug.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年8 月No.8Vol.40第40 卷第8 期机计设械多相旋流冲击振动动力学建模与突变分析方法*史纪林,李霖,谭大鹏2(1.临沂市公路事业发展中心营南县中心,山东临沂276000;2.浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014)摘要:多相旋流在航空流控系统、化工匀浆搅拌、连铸过程浇注和核电冷却堆分离等工程领域广泛产生,其形成演变中多相耦合冲击振动动力学特性是具有高度非线性特征的复杂动力学问题。针对上述问题,文中提出了一种基于流固耦合的动力学模型和位移响应求解方法研究多相旋流冲击振动动力学行为。基于振动检测法原理,设计了多通
2、道传感的旋流冲击振动观测平台,采用信号处理算法对流体冲击振动信号进行特征提取以判断旋流临界过渡状态,并提出一种基于小波的旋流非线性冲击振动突变识别方法。研究发现:旋流贯穿后高频段的振动幅值增大,小波变换dw4突变、高频能量结构的随机性脉冲分量和非线性阶跃等多重特征信息融合可用于多相流体耦合过渡状态的在线检测。关键词:多相旋流;冲击振动;流固耦合;冲击振动;信号处理中图分类号:TB123文献标识码:A文章编号:10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 8-0 0 9 5-10Dynamic modeling and distortion analysis of shock vibration
3、characterized by multi-phase vortexSHI Jilin,LI Lin?,TAN Dapeng?2(1.Linyi City Highway Business Development Center-Junan County Center,Linyi 276000;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014)Abstract:Multi-phase vortex is widely used in the engineering fiel
4、ds such as aviation flow control system,chemical homoge-nate stirring,continuous casting process and separation of nuclear-power cooling reactor.The dynamic characteristics of multi-phase coupling shock vibration during the evolving process are categorized into the complex dynamic problems with high
5、ly non-lin-ear features.In this article,the fluid-solid coupling dynamic model and the displacement-response solution method are applied toexplore the shock-vibration dynamic behaviors characterized by multi-phase vortex.The multi-channel sensing experimental plat-form is set up for shock vibration
6、characterized by multi-phase vortex is set up based on the principle of vibration detection.Thesignal-processing algorithm is used for feature extraction of shock-vibration signals,so as to determine the vortexs critical transi-tion state,and the wavelet-based non-linear shock-vibration distortion r
7、ecognition method is proposed.The results show that thevibration amplitude in high frequency band increases after the vortex penetration;dwy distortion of wavelet transform,randompulse component of high-frequency energy structure and non-linear step can be used for online detection of the multi-phas
8、e fluidcouplingin the transition state.Key words:multi-phase vortex;shock vibration;fluid-solid coupling;shock vibration;signal processing随着化石燃料的逐渐耗竭,世界各国都非常重视提高资源利用率和实现高效率的工业生产。多相旋流是工业生产过程中一种常见的动态耦合流动状态,在航空流控系统、化工匀浆过程萃取和连续浇注过程等重要工程应用中广泛产生1-3。】。旋流形成过程中易卷吸表层流体介质和固体颗粒物,其较强的气液抽吸耦收稿日期:2 0 2 3-0 5-12;修订日
9、期:2 0 2 3-0 7-2 6基金项目:浙江省自然科学基金项目(LQ23E050017);浙江省博士后科研项目择优资助项目(ZJ2022068)96计机设械第40 卷第8 期合作用引起非线性冲击振动,给工业生产过程造成诸多不利影响,如降低产品纯度和质量、诱发空化空蚀和影响水利设备寿命等4-6 。因此,研究多相旋流形成过程的冲击振动特性,揭示其临界状态的过渡机理,可为极端工况条件下的旋流状态检测提供理论参考和技术支持,具有重要的科研价值和工程应用前景多相旋流虽然是一种常见的自然现象,但却是一个复杂的多相和多场耦合动力学问题7 。实际的工程应用场景中,旋流抽吸表层流体给工业生产造成诸多不利影响
10、,难以通过视频信号检测流道内部的流动状态,使得旋流形成过程与冲击振动特性之间的作用机制尚未揭示。因此,研究多相旋流形成过程的冲击振动演变特性具有重要的工程意义。针对上述关键问题,国内外学者进行了大量的研究工作。Park等8 研究了Taylor旋流和Ekman旋流的相互作用,证明了Ekman吸力对气液两相旋流涡核的影响。Son等9 通过数值模拟研究了两相旋流的演化过程,跟踪了泰勒涡核内螺旋波的流动形态。Takacs等10 对两相旋流振动信号进行了时域分析,在试验数据中发现了一些振动成分。Naderi等 对旋流结构进行了研究,发现旋流的分解和聚集是不稳定的旋流涡核造成的。Zhang等12 采用小波
11、算法对非平稳振动数据进行分析,得到了两相旋流卷吸杂质诱导的异常能量谱分布。Li等13 探索了流致振动形成过程,得到了旋流冲击振动信号的高频成分。从上述文献可以推断,当前对旋流研究主要集中在两相动态建模、涡核演变和振动产生等方面。针对旋流抽吸演化过程的非线性冲击振动特性研究尚不明确。旋流形成过程的复杂性无疑增加了旋流冲击振动特性的检测与分析难度。因此,提出一种基于流固耦合的旋流冲击振动建模与振动动力学特性分析方法,得到旋流冲击振动动力学规律是非常有必要的。1数学模型和求解方法1.1数学模型多相旋流是有限物理空间非定常旋转多相流。水平集和流体体积耦合模型具有较小的界面曲率误差和质量守恒的优点,常被
12、用于跟踪具有多层界面的多相流模拟14-15。模型描述如下:在模型中,水平集模函数定义为(x,t),表示到界面的特征距离。该值在上层流体为负,在界面处为零,在下层流体处为正。“下流体”和“上流体”是指相邻层的流体,如水-油和油-空气,则对流输运方程定义为:V7)5=0+(dt(1)dV)=0at式中:V.混合流体的平均速度矢量;流体相的体积分数;t-一时间。函数(x,t)在界面不能保持平滑分布,可用垂直于界面的梯度计算法向量n和平均曲率k计算:n=0(2)K=现有的多相流计算中,界面附近的混合密度p,和黏度依赖于水平集函数16-17 。在界面过渡过程中,利用平滑Heaviside函数可以对混合密
13、度和黏度等流体物理参数进行平滑处理(pm()=p.1-H()+p,H()(3)(m()=,1-H()+,H()式中:p,上层流体密度;-上层流体黏度;Pj下层流体密度;山一下层流体黏度。指定平滑的Heaviside函数:1()H()1+(1/)(4)sin2T-8)式中:8界面模拟厚度,8=1.5a;a网格空间尺寸。模型中的液相和气相被视为不可压缩的牛顿流体1.2固体耦合模型固体耦合模型为薄壁圆柱壳。在单点谐波力的作用下,其振动必须沿轴向、径向和周向同时从力点传播到表面18-19 。文中采用Fligge壳层理论建立了有限元流固耦合动力学模型。采用波传播方法求解壳体位移函数。考虑振动波沿壳体轴向
14、的传播,具有轴向波数的Fligge方程的位移解为:Ps声压场的振幅;位移,可以产生无穷多个自由振荡波的波动特征与方程解相匹配。通过求解式(9)的轴向方程det|Nl。留数定理的奇异点和耦合系统中众多采用留数定理计算方程式(9)的积分,得到色散972023年8 月史纪林,等多旋流冲振动动学建模与突变分析方法88Umscos mdexp(iat-ikmsx)m=0s=1880Vmssin mdexp(iot-ikmsx)(5)m=0s=18080Ws.cosmdexp(iot-ikmsx)m=05=1式中:Ums,Vms,W壳体分量在柱坐标(x,0,r)3个方向上ms的位移幅值;u,Us,w,轴向
15、、周向、径向位移;m周向模态数;圆频率;kms轴向波数;下标s频散方程中轴向波数解的序号2 0-2 2 假设流体是无黏性的理想不可压缩介质,其运动具有各向异性和无旋转特征,得到流场的波动方程为:p211Ps1P0(6)?ar7ar2002at2式中:C一声场的波速;圆柱壳切面的径向方向。文中采用变量分离法求解声压场的亥姆霍兹方程。考虑辐射与壳体边界耦合条件,满足波动方程的声压场为:8080PP,=scosmoYm(k,r)exp(iot-ikmsx)(7)式中:-径向波数,(k)=hg-km;ko一-流体自由波数,ko=0/Cr;Ym九阶贝塞尔函数;P声压场振幅。ms由于随机激励而表现出非线性
16、特征,可以采用轴向余弦分布谐波载荷来分析随机激励:入p(x,0,t)=F,cos mop(x)expiwt(8)R式中:F单位周长上的力;P(x)一单位脉冲函数;入一一牛特征方程根;R一圆柱壳的内径。局部傅里叶变换方法可以解决随机激励下的强迫振动问题,则位移公式推导如下:F入u,(x,入)d入Xp2Tp,hRo2JR82F,入U(x,入)d(9)exp2p,hRa2JXR80F8入w,(x,入)exp2p.hRa2JR式中:h圆柱壳厚度;Sij位移矩阵的因子(i=1,2,3,j=1,2,3,);无量纲频率。2流固耦合数值模型2.1旋涡数值模型为了实时追踪多相旋流的临界过渡状态,建立基于流固耦合
17、的多相旋流数值模型,如图1所示。文中基于ICEM网格划分软件进行模型网格划分,并对位于圆柱中心区域和排流管道的网格进行加密处理,以便准确地捕捉自由液面临界破碎时的动态耦合特征。采用较大尺度的网格对容器模型的剩余部分进行划分,网格总数为33546 0。采用六面体多块结构化网格对管壳动力学模型进行网格划分,固体域网格总数为12 8 45。从图1中的网格划分可以看出,模型网格划分较均匀,排流管道附近的网格相对较密,采用较高质量的网格保证数值计算的精度要求。参考压力人口压力点气相油相水相流场模型固体模型固定壁面固定载荷面压力出口自由载荷面固定载荷面流固耦合面图1流固耦合数值模型2.2边界条件和初始条件
18、文中观察多相旋流的形成与演化过程,其中容器的几何特征和边界条件如表1所示。容器人口处设置为零法向梯度压力入口边界条件,出口边界设置为无回流平均压力出口,将壁面条件定义为无滑移壁面边界条件。在图1的管壳振动动力学模型中,管壳上下两端口壁面为固定载荷面,排流管道内壁面与流场模型壁面进行耦合,共同组成流固耦合面,管98计设机第40 卷第8 期械壳外壁面为自由载荷面。此节选取弹性模量较小的PC塑料(弹性模量为2.410 3MPa)作为振动模型材料。表1数值模型的边界条件m参数数值气区高度0.30油区高度0.05水区高度0.20容器高度0.55容器直径0.50管道长度0.15管道直径0.022为了保证严
19、格的流体质量守恒,采用有限体积法离散控制方程。旋流形成演化过程属于典型的过渡流动计算,采用压力的隐式算子分割(PressureImplicitwith Split of Operator,PISO)算法处理压力速度耦合以保证收敛效率2 3。为了解决压力离散插值问题,防止内压急剧变化和高旋流,采用压力交错方式(PressureStaggeringOption,PREST O)。L S函数属于哈密顿-雅可比方程,空间上采用5阶加权本质无振荡(WeightedEssentiallyNon-Oscillatory,WENO)格式离散,时间上采用3阶总变差减小(TotalVariationDiminis
20、hing,TVD)龙格-库塔格式离散2 4-2 5。此外,采用2 阶迎风格式离散动量、动能和耗散率以便获得精确解3数值模拟结果3.1多相旋流形成机理当旋流处于临界贯穿时,自由界面的形态演变规律具有高度非线性特性。选取一个数值例子(=1.0rad/s,d=2 2 m m)来研究多层液面的动态演化规律。流体的体积分数剖面能较好地反映相间界面的演化规律和流场瞬态特征,如图2 所示,其中,红色区域为空气相,绿色区域为油相,蓝色区域为水相。在旋流形成前期,流体的流动模式表现为重力引起的轴向运动和初始扰动诱导的切向运动,如图2 a所示。初始切向速度增大了流动雷诺数,流强度增大,增强了流体的切向运动。在图2
21、 b和图2 c中,随着自由液面的下降,自由液面中心的液面高度明显低于两端的高度,油层底部中心形成凸点。随着油滴和水从排流管流出,旋流尺度不断增大。随着旋流的演变,流场有少量空气被排流孔抽吸并悬浮在油相,如图2 d所示。较大的抽吸力可以克服流体的黏滞阻力,打破以水相和油相混合为主要成分的自由表面中心的能量障碍。图2 e中液面中心最低位置与容器底部对齐,当油相吸入大量气泡时,流体在出口处的流动不稳定。当流场形成与出口气压相连的空气柱时,水油两相的流速基本为零,表明达到贯穿状态,如图2 f所示0.70.70.950.950.60.850.60.850.50.750.50.75三0.40.65三0.4
22、0.6510.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.20.100.10.20.2 0.100.10.2x/mx/m(a)t=0.00 s(b)t=-11.60 s0.70.70.950.950.60.850.60.850.50.750.50.75=0.40.65三0.40.65N0.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.20.100.1 0.20.2 0.100.10.2x/mx/m(c)(=18.10 s(d)t=43.60 s0.70.70.950.950.6
23、0.850.60.850.50.750.50.75=0.40.65三0.40.6511.0.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.2 0.100.10.20.20.100.10.2x/mx/m(e)(-46.69 s(f)(=52.89 s图2多相旋流的体积分数云图为了分析多相旋流形成过程与流量之间的内在联系,得到了旋流最大切向速度随水口直径的演变规律,如图3所示。随着排流口径的增大,最高切向速度提高,但并非呈线性增大。在排流口径为2 2 26mm时,旋流最高切向速度增幅较快,但在排流口径为2 6 34mm时,旋涡最大切向速度增
24、幅较慢,旋流临界贯穿状态的速度趋势与液位曲线有一定相似性。排流口径越大,流动越快,多相流受到的离心力越大,加速了流体向壁面流动的趋势,导致自由液位992023年8 月史纪林,等多租旋流冲振动动与突变分析方法不增大。但当口径增大至一定程度时,速度分量的积累所需时间较短,且远短于流量变化减小的排流时间,则旋流速度分量的增幅明显减小。因此,通过减小流量可以控制旋流形成过程,且需要经过特定的扰动过程才能再次达到产生旋流的临界条件,从而可以有效抑制旋流形成过程,1.1001.0951.090(s/)/回41.0851.0801.0751.0701.06522242628303234水口直径/mm图3旋涡
25、的最高切向速度曲线3.2流固耦合振动产生机理为了揭示多相旋流形成过程与冲击振动特性之间的规律,对参考点的加速度特性-时域波形进行分析,如图4所示,其中横坐标为采样时间t,纵坐标为振动幅值A。从图4可以看出,在不同的排流量下,旋流所诱导的冲击振动具有相同的特征。在排流前期,振动信号的强度较弱,初始时刻的振动幅值与排流口径的大小无关。在排流口径d=30mm和d=34mm的时域波形中,4 7 s和3 5s时间序列内分别有轻微振动,但在d=22mm和d=26mm时域波形中没有明显的振动现象。上述轻微振动时间序列对应于自由汇流旋涡的形成阶段,油相是通过旋涡抽吸向排流口方向流动,在流量达到一定值时振动比较
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