流場中三維失落腔剪切層持振蕩特性的實驗研究

0流激振蕩問題的研究該開采結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航天航空、海陸、水利工程等領(lǐng)域。如,飛機(jī)起落架輪蓄井、船用水下航行器上的孔和腔等都屬于陷落腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流(或氣流)流過陷落腔時會在陷落腔的腔口處產(chǎn)生流分離引起剪切層脫落,從而誘發(fā)剪切層自持振蕩的現(xiàn)象。同時,剪切層不斷地向下游運動與腔口隨邊處固壁相撞后產(chǎn)生擾動波,最終導(dǎo)致腔內(nèi)的流動以一族特定的頻率產(chǎn)生很大的壓力振蕩與劇烈的噪聲,這種現(xiàn)象稱為流激振蕩。當(dāng)剪切層振蕩頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時將發(fā)生共振現(xiàn)象,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動甚至疲勞破壞。因此,類似陷落式腔體結(jié)構(gòu)的流激振蕩問題的研究是十分必要和重要的。目前,有關(guān)二維陷落腔流激振蕩聲學(xué)研究已取得了較為豐碩的成果,但多數(shù)研究集中在氣流場作用下二維陷落腔剪切層自持振蕩頻率特性的驗證研究,忽略了腔體壓力分布的三維效應(yīng)和腔體跨度對剪切層自持振蕩特性的影響。因此,本文開展了均勻流場中不同來流流速、不同腔體跨度時三維陷落腔剪切層自持振蕩特性的系列實驗研究,給出腔體跨度對剪切層振蕩特性的影響規(guī)律,揭示了三維陷落腔剪切層自持振蕩的機(jī)理,為三維陷落腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算提供參考。1維政府表現(xiàn)特性本文實驗是在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池開展的。船模拖曳水池長108m,寬7m,深3.5m,水池拖車最大速度可達(dá)6m/s,實驗時水溫為20℃。根據(jù)拖曳水池的實驗條件確定實船與模型的比例尺寸為1∶0.3。船模全長3.8m,寬1.0m,高0.8m,吃水0.4m,干弦0.3m,三維陷落腔分別為等高型和深型(H/L=1,1.33,見圖1)。實驗流速范圍在0.6～3.39m/s,Δv=0.31m/s,。為避免船模在實驗過程中產(chǎn)生橫搖或縱搖和船體及不必要的振動影響實驗測試結(jié)果,本文在實驗時將船模用80#槽鋼與拖車前梁鋼性連接,并在前梁與槽鋼的連接處、槽鋼與船模的連接處分別墊上厚為10mm的橡膠墊,以濾去高頻信號的影響。為防止實驗過程中腔體內(nèi)存有空氣,在三維陷落腔頂面的中心設(shè)置?30的排氣管。在數(shù)值計算中發(fā)現(xiàn)流體運動的對稱性,所以,沿腔體周向僅布置一半壓力傳感器。為詳細(xì)觀測腔口剪切層處流體壓力的分布特性在腔口側(cè)壁周向處布置13只壓力傳感器,為觀測腔體內(nèi)部流體壓力的分布特性同時還分別在腔體中截面和頂截面?zhèn)缺诓贾?只壓力傳感器,傳感器布置詳圖與各邊的定義見圖2。本文著重分析腔口處剪切層的自持振蕩特性。2自功率譜密度函數(shù)為使本實驗研究結(jié)果具有普遍的規(guī)律性,本文在數(shù)據(jù)分析過程中采取無量綱參數(shù)進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。在數(shù)據(jù)分析中由各測點的流體脈動力的自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換可求得其自功率譜密度函數(shù)S(f),S(f)=12π∫+∞?∞12π∫-∞+∞R(τ)e-2πfτidτ,對自功率譜密度函數(shù)在(-∞,+∞)求積分取其二次根值可得各測點的脈動力。壓力系數(shù)的定義如式(1)和式(2)穩(wěn)態(tài)壓力系數(shù)Cp=p(θ,t)?p00.5ρv2∞ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ;(1)Cp=p(θ,t)-p00.5ρv∞2ˉ;(1)脈動壓力系數(shù)C′p=p′(θ,t)0.5ρv2∞,(2)C′p=p′(θ,t)0.5ρv∞2,(2)式中v為v∞為流向速度,m/s;ρ為實驗狀態(tài)下水體密度,kg/m3;p0為流體靜壓值,Pa;p′(θ,t)為流體脈動壓力均方根值,Pa。3流速分布本文分別研究了2種腔型的剪切層自持振蕩特性。實驗測量流速范圍在0.6～3.39m/s,間隔為0.31m/s,共計10種流速。由腔口剪切層處側(cè)壁壓力信號的分析結(jié)果可以明顯地看出:無論是等高型陷落腔還是深型陷落腔腔口處存在較大的負(fù)壓,如圖3所示(以等高腔為例)。3.1腔體體積大小對cp值的影響實驗中發(fā)現(xiàn)無論是等高型陷落腔還是深型陷落腔在腔口剪切層處周向壓力全都呈現(xiàn)出負(fù)壓的狀態(tài)。圖4給出了不同來流流速時,腔體跨度變化對腔口剪切層處的影響規(guī)律。由圖4(a)可見,當(dāng)來流流速較小時,腔體跨度的增大對Cp的影響不大,當(dāng)來流流速增加時,腔體高度不變,跨度增加會使腔口處的Cp值增大(即負(fù)壓值減小(見圖4(b))。腔體跨度增大使腔體截面面積增大,從而在來流條件相同時使腔口處的進(jìn)流量增大,腔體壁面上的流體壓力增大。文獻(xiàn)在研究腔體的橫斷面變化對腔內(nèi)流體力的影響時也得到了一致的規(guī)律。可見跨度的增大能夠有效地減小負(fù)壓值,在一定程度上可使腔口處空化的形成減弱,并使空蝕現(xiàn)象發(fā)生的概率大大降低。3.2脈動壓力系數(shù)對腔口剪切層周向分布的影響腔體跨度的增大使腔口剪切層處的流體壓力值發(fā)生變化,同時也會影響腔口脈動壓力系數(shù)的周向分布。實驗分析中發(fā)現(xiàn)腔體跨度的增大基本上沒有影響腔口剪切層處脈動壓力系數(shù)C′p的周向分布,僅是在數(shù)值上有所增減。由圖5(a)可見,在來流流速較小的情況下2種腔型的脈動壓力系數(shù)曲線很好地擬合在一起,但當(dāng)來流流速較大時(見圖5(b)),腔體跨度的增加對剪切層隨邊處(θ=135°～180°)的脈動壓力系數(shù)Cp′的影響最為明顯,腔體跨度的增大使剪切層隨邊處Cp′明顯增大,而對腔體導(dǎo)邊和側(cè)壁處的Cp′影響很小。3.3腔體長度的影響在分析剪切層振蕩頻率之前首先分析了安裝模型裝置各部位的加速度傳感器實驗信號,測得到模型與拖車系統(tǒng)的振動頻率。在剪切層自持振蕩頻率分析時排除了模型和拖車系統(tǒng)的干擾頻率。由上面分析可知,在三維腔落腔腔口隨邊處因剪切層自持振蕩最為劇烈使此處流體的脈動壓力最大,圖6,圖7給出2種腔型在相同來流速度時腔口隨邊測點處脈動壓力自功率譜圖。由圖6,圖7可見,相同來流流速時腔體跨度L的增加使腔口剪切層自振蕩的前三階頻率明顯地降低,且腔體跨度的增加對后兩階振蕩頻率的影響最為明顯。在相同的來流條件下,腔口剪切層處剪切層流的遷移速度未發(fā)生變化,腔體跨度的增加使剪切層流的振蕩周期增大,頻率降低。雖然腔體跨度的變化對剪切層處的振蕩頻率有很大的影響,但并未改變剪切層處各階振蕩頻率的斯特勞哈爾數(shù)Sr隨來流流速v的變化規(guī)律,如圖8,圖9所示。由圖8,圖9可見,無論是等高腔還是深腔剪切層處的前三階振蕩頻率的無量綱值隨來流速度的變化呈現(xiàn)出很強的規(guī)律性。腔型跨度的變化并未改變每階振頻對應(yīng)的Sr數(shù)隨來流流速的變化規(guī)律,且相同階對應(yīng)的Sr數(shù)隨來流流速的變化為同一常數(shù),不同階的Sr數(shù)隨來流流速的變化為不同的常數(shù),即m=1時,Sr≈0.5,m=2時,Sr≈1.1,m=3時,Sr≈1.7。RossiterJE和何祚鏞在風(fēng)洞試驗研究低馬赫數(shù)Ma時二維陷落腔的剪切層振蕩特性時也發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。4腔體被壓值和脈動壓力本文通過實驗研究分析了腔型變化對陷落腔剪切層自持振蕩特性影響,并得出如下結(jié)論:1)無論等高型陷落腔還是深型陷落腔腔口剪切層隨邊處存在較大的負(fù)壓值