空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

水介质管路弹性背腔微穿孔消声器的传递损失特性

为抑制水介质管路系统低频噪声,兼顾结构的紧凑性,提出弹性背腔微穿孔管路消声结构,弹性管壁为橡胶帘线复合材料,并推导了传递损失的数值解法。首先,基于Biot-Allard多孔弹性理论,将弹性微穿孔板等效为弹性多孔材料;然后,利用双尺度法建立帘布的周期性代表单元,求得其刚度矩阵;接着,基于分层理论,建立弹性管壁的多层复合材料模型,并与内部声场耦合计算,得到弹性背腔微穿孔管路消声器的传递损失。在水介质驻波管中,利用双声源法测量弹性背腔微穿孔管路消声器样机的传递损失曲线,并与扩张式管路消声器和刚性背腔微穿孔管路消声器进行对比,理论结果与试验结果吻合良好。研究表明,弹性背腔微穿孔管路消声器属于反射耗散复合式消声器,具有低频域、宽频带的消声特性。样机B2在40~300 Hz和40~1200 Hz频段内的传递损失分别为36 dB和30 dB,而相同尺寸扩张式消声器在对应频段的传递损失分别为7 dB和11 dB。      

水下目标回波特性计算的图形声学方法

根据Kirchhoff近似公式建立了一种水下目标回波特性实时工程预报的新方法-可视化图形声学计算方法GRACO (Graphical Acoustics Computing)。该方法利用三维图形处理系统,采用建模软件对水下复杂目标进行几何建模,并基于OpenGL技术把几何模型转化为屏幕上目标的可视化像素图形,获取像素中包含的目标表面法向量和空间距离信息,最后通过把回波特性预报中的面积分转化为屏幕上可视化图形的像素求和计算,完成水下目标回波特性预报。计算结果表明图形声学方法有较高的精度,计算速度比板块元方法快9-10倍。     

复杂板-腔系统声振耦合机理分析

以敷设多层粘弹性层的复杂弹性板-声腔声振耦合模型为研究对象,结合多层介质声阻抗方法及波数扩展,采用模态展开法推导出点激励作用下耦合系统振动和声场形式解,通过数值计算探索了弹性板参数和粘弹性层参数对弹性板振动和腔内声场的影响规律,并进一步分析了粘弹性层的抑振降噪效果。结果表明:改变弹性板参数对结构振动影响较大;粘弹性层参数对振动和声场影响较显著,其抑振降噪效果主要集中在1000Hz以上中高频段。     

充液弯管连续/离散模型振动的动刚度解法

由充液弯管三维振动模型切入，应用动刚度法构建了弯管及直管单元的振动求解方法，进而用于组装求解充液管系的振动，可同时适用于含弯管单元的连续模型或只含直管单元的离散模型；通过算例对比，证明动刚度法比传递矩阵法和有限元法在计算效率和精度上有所提升；与充液L型管道振动实验测得的加速度频响曲线对比，验证了本文对于管道组装的计算方法的有效性，此外还分析了连续模型和离散模型的区别及适用范围。     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程,对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6(2007)规范,给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法;基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟,得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷,结果表明,受压球壳对缺陷较敏感,承载能力随缺陷值增大而降低;一致缺陷模态法计算便捷,在工程应用上具有合理性,N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型,结果更加全面,可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程，对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6（2007）规范，给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法；基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟，得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷，结果表明，受压球壳对缺陷较敏感，承载能力随缺陷值增大而降低；一致缺陷模态法计算便捷，在工程应用上具有合理性，N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型，结果更加全面，可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

抑制压电圆柱壳水下振动的鲁棒时滞控制器设计

压电圆柱壳水下振动环境复杂,为了消除测量过程中的高频信号和噪声干扰,在控制器设计之前需要引入高阶低通数字滤波器,该滤波器在通带范围内的相频特性会给系统引入输入时滞。本文将输入时滞描述为乘性不确定性模型,设计出鲁棒时滞控制器,有效抑制压电智能壳体结构的水下振动。频域仿真结果显示,与未控制前相比,传感器测试到的响应降低了20dB。与未考虑时滞影响的鲁棒控制效果对比,鲁棒时滞控制器控制效果更优。     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

声辐射模态和球谐波函数在球源声场重建中的比较

声辐射模态和球谐波函数在球源声场重建中均有应用,两者具有很多相似性,都具有相同的多极子辐射模式和"群组"分布特性。有观点认为球形声源的声辐射模态向量即为球谐波函数,但两者的内在关系一直缺乏有效的证明。为分析两种基函数的相似性及在球源声场重建领域的差异,在理论上建立了两者的内在联系,在应用上比较研究了基于两种基函数的声场重建方法的有效性和可靠性。数值算例结果表明,在中高频段时基于两种函数的声场重建效果相当,但在低频段尤其是存在干扰源的非自由场条件下的声场重建应用中,基于声辐射模态的声场重建方法能得到更高的重建精度。可见,声辐射模态具有较为明显的声场重建优越性,这为利用声辐射模态和球谐波函数进行球源声场重建提供了理论参考。