详情

原文传递流固耦合周期管路声振传播特性及减振降噪设计研究

论文题名：	流固耦合周期管路声振传播特性及减振降噪设计研究
关键词：	流固耦合管路;声子晶体;传播特性;减振降噪设计
摘要：	装备管路系统用于气、水、油的输运，是维持装备正常运行的重要系统。管路中存在流体压力波脉动和管壁结构振动，二者相互影响，导致复杂的流固耦合问题。同时，管壁振动和流体压力脉动均可产生辐射噪声，使管路系统的振动和噪声抑制更加困难，尤其是低频振动与噪声，严重影响了水下装备的安全性和安静性。因此，管路系统的减振降噪已成为亟待解决的关键问题之一。　　传统减振降噪技术难以满足管路系统低频宽带减振降噪需求，迫切需要发展新技术和新方法。凝聚态物理领域新兴的声子晶体和声学超材料带隙特性可高效抑制流固耦合管路中的弹性波与声波传播。因声振抑制的本质为波的操控，声子晶体和声学超材料理论为流固耦合管路系统的减振降噪设计提供了新的技术途径。本文基于声子晶体和声学超材料带隙理论，系统研究了流固耦合周期管路系统的声振传播特性及减振降噪设计，通过对管路结构的周期性设计实现振动带隙和声波带隙，实现对流固耦合管路振动噪声的高效抑制。论文主要研究内容：　　1.完善了流固耦合管路系统的声振传播模型与分析方法。针对充液周期管路，建立了复杂载荷条件下振动带隙计算的传递矩阵法；推导了等截面管路、变截面管路和赫姆霍兹共振器的声学传递矩阵，进而建立了复杂管路消声器声学特性分析的整体声学传递矩阵。建立了气液腔管路消声器声学特性分析的声电类比法。建立了流固耦合周期管路流致振动特性分析的动力学模型。针对刚挠管路，提出了基于等效声速（Korteweg波速）的传递矩阵法，发现了周期刚挠管路的中低频声波带隙效应。论文验证了相关模型与方法的正确性。　　2.研究了复杂工况下流固耦合周期管路的振动传播特性。针对周期管路系统的流固耦合振动，研究了流体流速、轴向载荷、压力载荷及流体温度等复杂外部载荷对两种周期管路振动带隙的影响机理和规律；基于ANSYS有限元的单向和双向耦合算法，分析了不同流体状态下周期管路的流致振动特性。　　3.研究了流固耦合周期管路的噪声传播特性与降噪设计。通过在赫姆霍兹消声器共振腔内引入气囊，创新设计了具有超低频超宽带声波带隙的管路消声器结构，可诱导产生11-496Hz的“超低频、超宽带”的声波带隙；基于此理念，设计了一种可实现51-1071Hz的“超低频、超宽带”声波带隙的气液腔扩张室管路消声器。研究了关键参数对两种消声器声波带隙的影响规律，并揭示了其消声机理。提出了考虑流体流速影响的传递矩阵法，可准确计算流速对不同消声器声学特性的影响规律。设计可抑制低频噪声的周期变截面刚挠管路，分析了其声传播特性和消声机理。　　4.完成了流固耦合管路声振传播特性的实验验证。搭建实验平台，测试了不同流体条件下布拉格周期管路和局域共振周期管路的振动传递特性；测试了赫姆霍兹消声器、气液腔赫姆霍兹消声器和周期变截面刚挠管路的声学传播特性。通过实验测试验证了理论设计与计算结果的准确性。　　总之，论文系统研究了流固耦合周期管路的声振传播特性，提出并完善了周期管路计算方法和设计思想，详细分析了复杂外部载荷条件下周期管路的振动带隙特性并深入揭示了作用机理，创新设计了可实现超低频超宽带声波带隙的新型管路消声器，并完成相应的实验验证。研究结论有望为流固耦合管路系统的振动和噪声控制问题提供新理论、新方法和新技术。
作者：	刘江伟
专业：	机械工程
导师：	温激鸿;郁殿龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科技大学
学位年度：	2020