基于LES的直管流致振动分析

    管路系统广泛应用于船舶、航空航天、汽车、核电及其他工业领域，与机械设备、电子设备相连接，完成质量流、能量流的传递作用。因其分布广泛、作用重要而被称为工业产品的“血液命脉”。管路系统正常工作中，受到管内流体的激励会产生振并辐射噪声，破坏周围环境的舒适性及声学隐蔽性；对于振动强烈的管段，管路振动不仅影响与其连接的机械设备的工作性能，甚至会造成管路系统的疲劳破坏。因此研究管路振动原因和振动特点对管路的设计和防护有重要作用，而且通过测量管路的振动可以反推管内流体的流量，这对于非嵌入式的流量传感器研究有重要意义。

    目前国内外关于管路振动的研究方法主要有三种：解析法、试验法和数值方法。解析法主要根据势流理论对充液管路的振动进行研究。PaïdoussisM P[1―2]系统的介绍了充液结构和浸液结构的动力学问题，涵盖了自由振动和强迫振动的稳定性问题。Païdoussis M P 首先对充液直管的线性和分线性动力学问题做了深入的研究，并将充液直管的理论推广至带有曲率的充液管路系统，指出管路振动中，若管路截面保持不变可将其看做厚壳结构，即简化为梁结构来处理；而对于薄壳结构必须采用壳体理论来解决振动问题。Ryu B J 等人[3]研究了弹性支撑悬臂式输液管道的振动和动力稳定性问题，讨论了不同弹性支撑、管路质量比、结构阻尼系数下的管道流体临界速度，并绘制了管路发生颤振失稳的临界速度曲线、低阶特征值的阿根图和管路发生颤振时的不稳定振型图。Stangl M[4―6]同样对悬臂充液管路的振动动力学问题进行了详细分析，推导了悬臂充液管路系统的非线性振动方程。解析法对管路流致振动问题的研究都是建立在势流理论的基础上，而忽略了流体瞬间脉动变化，因此不能很好的描述湍流脉动对管路振动的影响。

    试验方法是最直接的研究方法，可以得到流体脉动对管路作用后产生的结构振动响应。Evans R P等人[7]通过相关试验研究了流体流量和管路振动的关系，并申请了测量多相流流速的发明专利[8]。Durant C 等人[9]开展了空气流动引起直管振动的试验测量，得到了不同马赫数下管内空气的脉动谱密度曲线，测量了管路振动的速度谱密度和向外辐射的声压值。Pittard M T 等人[10]利用气水循环装置测得了管内流量和管壁振动的关系，并对二者进行了拟合，拟合结果表明管壁振动的大小和流量近似抛物线关系。李昆等人[11]对气体通过管路诱发的振动进行了研究，并指出：在完全发展管道流的情况下，由流体诱发的管壁振动加速度的标准方差和管内平均流量存在较强的量化关系。试验方法没有忽略流致振动现象的任何因素，但试验方法存在自身的弱点：试验测量技术本身的缺陷和误差；受测试环境影响大，管路振动不止来源于内部流体脉动，还可能源于流体驱动动力源激励，且无法区分；需要精密贵重的试验仪器，实验成本高。