流场中三维失落腔剪切层持振荡特性的实验研究

流场中三维失落腔剪切层持振荡特性的实验研究

0流激振荡问题的研究该开采结构广泛应用于航天航空、海陆、水利工程等领域。如,飞机起落架轮蓄井、船用水下航行器上的孔和腔等都属于陷落腔结构。当水流(或气流)流过陷落腔时会在陷落腔的腔口处产生流分离引起剪切层脱落,从而诱发剪切层自持振荡的现象。同时,剪切层不断地向下游运动与腔口随边处固壁相撞后产生扰动波,最终导致腔内的流动以一族特定的频率产生很大的压力振荡与剧烈的噪声,这种现象称为流激振荡。当剪切层振荡频率与结构的固有频率相近时将发生共振现象,从而导致结构产生振动甚至疲劳破坏。因此,类似陷落式腔体结构的流激振荡问题的研究是十分必要和重要的。目前,有关二维陷落腔流激振荡声学研究已取得了较为丰硕的成果,但多数研究集中在气流场作用下二维陷落腔剪切层自持振荡频率特性的验证研究,忽略了腔体压力分布的三维效应和腔体跨度对剪切层自持振荡特性的影响。因此,本文开展了均匀流场中不同来流流速、不同腔体跨度时三维陷落腔剪切层自持振荡特性的系列实验研究,给出腔体跨度对剪切层振荡特性的影响规律,揭示了三维陷落腔剪切层自持振荡的机理,为三维陷落腔体结构设计与计算提供参考。1维政府表现特性本文实验是在哈尔滨工程大学船模拖曳水池开展的。船模拖曳水池长108m,宽7m,深3.5m,水池拖车最大速度可达6m/s,实验时水温为20℃。根据拖曳水池的实验条件确定实船与模型的比例尺寸为1∶0.3。船模全长3.8m,宽1.0m,高0.8m,吃水0.4m,干弦0.3m,三维陷落腔分别为等高型和深型(H/L=1,1.33,见图1)。实验流速范围在0.6～3.39m/s,Δv=0.31m/s,。为避免船模在实验过程中产生横摇或纵摇和船体及不必要的振动影响实验测试结果,本文在实验时将船模用80#槽钢与拖车前梁钢性连接,并在前梁与槽钢的连接处、槽钢与船模的连接处分别垫上厚为10mm的橡胶垫,以滤去高频信号的影响。为防止实验过程中腔体内存有空气,在三维陷落腔顶面的中心设置ϕ30的排气管。在数值计算中发现流体运动的对称性,所以,沿腔体周向仅布置一半压力传感器。为详细观测腔口剪切层处流体压力的分布特性在腔口侧壁周向处布置13只压力传感器,为观测腔体内部流体压力的分布特性同时还分别在腔体中截面和顶截面侧壁布置5只压力传感器,传感器布置详图与各边的定义见图2。本文着重分析腔口处剪切层的自持振荡特性。2自功率谱密度函数为使本实验研究结果具有普遍的规律性,本文在数据分析过程中采取无量纲参数进行规律总结。在数据分析中由各测点的流体脉动力的自相关函数作傅里叶变换可求得其自功率谱密度函数S(f),S(f)=12π∫+∞−∞12π∫-∞+∞R(τ)e-2πfτidτ,对自功率谱密度函数在(-∞,+∞)求积分取其二次根值可得各测点的脉动力。压力系数的定义如式(1)和式(2)稳态压力系数Cp=p(θ,t)−p00.5ρv2∞¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯;(1)Cp=p(θ,t)-p00.5ρv∞2¯;(1)脉动压力系数C′p=p′(θ,t)0.5ρv2∞,(2)C′p=p′(θ,t)0.5ρv∞2,(2)式中v为v∞为流向速度,m/s;ρ为实验状态下水体密度,kg/m3;p0为流体静压值,Pa;p′(θ,t)为流体脉动压力均方根值,Pa。3流速分布本文分别研究了2种腔型的剪切层自持振荡特性。实验测量流速范围在0.6～3.39m/s,间隔为0.31m/s,共计10种流速。由腔口剪切层处侧壁压力信号的分析结果可以明显地看出:无论是等高型陷落腔还是深型陷落腔腔口处存在较大的负压,如图3所示(以等高腔为例)。3.1腔体体积大小对cp值的影响实验中发现无论是等高型陷落腔还是深型陷落腔在腔口剪切层处周向压力全都呈现出负压的状态。图4给出了不同来流流速时,腔体跨度变化对腔口剪切层处的影响规律。由图4(a)可见,当来流流速较小时,腔体跨度的增大对Cp的影响不大,当来流流速增加时,腔体高度不变,跨度增加会使腔口处的Cp值增大(即负压值减小(见图4(b))。腔体跨度增大使腔体截面面积增大,从而在来流条件相同时使腔口处的进流量增大,腔体壁面上的流体压力增大。文献在研究腔体的横断面变化对腔内流体力的影响时也得到了一致的规律。可见跨度的增大能够有效地减小负压值,在一定程度上可使腔口处空化的形成减弱,并使空蚀现象发生的概率大大降低。3.2脉动压力系数对腔口剪切层周向分布的影响腔体跨度的增大使腔口剪切层处的流体压力值发生变化,同时也会影响腔口脉动压力系数的周向分布。实验分析中发现腔体跨度的增大基本上没有影响腔口剪切层处脉动压力系数C′p的周向分布,仅是在数值上有所增减。由图5(a)可见,在来流流速较小的情况下2种腔型的脉动压力系数曲线很好地拟合在一起,但当来流流速较大时(见图5(b)),腔体跨度的增加对剪切层随边处(θ=135°～180°)的脉动压力系数Cp′的影响最为明显,腔体跨度的增大使剪切层随边处Cp′明显增大,而对腔体导边和侧壁处的Cp′影响很小。3.3腔体长度的影响在分析剪切层振荡频率之前首先分析了安装模型装置各部位的加速度传感器实验信号,测得到模型与拖车系统的振动频率。在剪切层自持振荡频率分析时排除了模型和拖车系统的干扰频率。由上面分析可知,在三维腔落腔腔口随边处因剪切层自持振荡最为剧烈使此处流体的脉动压力最大,图6,图7给出2种腔型在相同来流速度时腔口随边测点处脉动压力自功率谱图。由图6,图7可见,相同来流流速时腔体跨度L的增加使腔口剪切层自振荡的前三阶频率明显地降低,且腔体跨度的增加对后两阶振荡频率的影响最为明显。在相同的来流条件下,腔口剪切层处剪切层流的迁移速度未发生变化,腔体跨度的增加使剪切层流的振荡周期增大,频率降低。虽然腔体跨度的变化对剪切层处的振荡频率有很大的影响,但并未改变剪切层处各阶振荡频率的斯特劳哈尔数Sr随来流流速v的变化规律,如图8,图9所示。由图8,图9可见,无论是等高腔还是深腔剪切层处的前三阶振荡频率的无量纲值随来流速度的变化呈现出很强的规律性。腔型跨度的变化并未改变每阶振频对应的Sr数随来流流速的变化规律,且相同阶对应的Sr数随来流流速的变化为同一常数,不同阶的Sr数随来流流速的变化为不同的常数,即m=1时,Sr≈0.5,m=2时,Sr≈1.1,m=3时,Sr≈1.7。RossiterJE和何祚镛在风洞试验研究低马赫数Ma时二维陷落腔的剪切层振荡特性时也发现了这一规律。4腔体被压值和脉动压力本文通过实验研究分析了腔型变化对陷落腔剪切层自持振荡特性影响,并得出如下结论:1)无论等高型陷落腔还是深型陷落腔腔口剪切层随边处存在较大的负压值