Измерения гидродинамических и вибрационных характеристик для валидации численных расчетов возбуждения конструкций потоком жидкости

Измерения гидродинамических и вибрационных характеристик для валидации численных расчетов возбуждения конструкций потоком жидкости = Measurements of the Hydrodynamic and Vibrational Characteristics to Validate Numerical Calculations of the Structure Excitation by Fluid Flow / А. В. Будников [и др.] // Приборы и методы измерений : научно-технический журнал. – 2019. – Т. 10, № 3. – С. 223-232.

Abstract

Вибрация конструкций под воздействием нестационарных гидродинамических сил, обусловленных обтеканием потоком поверхностей конструкций, может неблагоприятно сказываться на прочности и усталостной долговечности. Снижение неблагоприятного воздействия гидродинамических сил в настоящее время становится возможным по результатам связанных трехмерных расчетов гидродинамики (CFD) и вибрации. Однако для адекватного описания в связанной задаче определяющих физических процессов должны использоваться специфические именно для задачи гидроупругих колебаний расчетные модели и подходы. Для обоснования и валидации таких подходов разработана экспериментальная модель и выполнена серия исследований процесса возбуждения конструкции потоком воды. В качестве конструкции рассматривалась модель, состоящая из двух последовательно установленных цилиндров в поперечном потоке рабочей среды. В процессе испытаний, в зависимости от скорости потока, измерялись уровни вибраций и пульсаций давления в потоке и нестационарных полей скорости. Относительно простая конструкция рассматриваемой модели позволила применить различные бесконтактные системы измерений нестационарных процессов для кроссвалидации получаемых экспериментальных данных и для оценки неопределенностей в процессе испытаний. На основании полученных данных синхронных измерений анализировалось взаимное влияние потока и динамики конструкции, обусловленное эффектом синхронизации между частотой срыва (или ее гармониками) и собственной частотой цилиндров. Таким образом, выполненные исследования позволили получить информацию одновременно и о динамических характеристиках потока, и о параметрах, характеризующих вибрацию, для случая консольного закрепления стержней. Полученные экспериментальные данные используются для определения требований к точности проведения численных расчетов гидродинамических сил и для валидации одно- и двусторонне связанных методов численного расчета возбуждений конструкций потоком.

Abstract in another language

Structure vibration under the influence of unsteady hydrodynamic forces caused by the flow around their surfaces can adversely affect durability and rupture life. Reducing the adverse effects of hydrodynamic forces is currently possible with the help of linked CFD and vibration calculations. However, for an adequate description of the associated processes one should use calculation models and approaches specific to the hydro-vibration problem. To justify and validate such approaches, an experimental model was developed and a series of structure excitation tests in water flow was carried out. The model comprises two cylinders installed sequentially in water crossflow. Vibration levels, pressure and velocity fluctuations were measured in the tests as a functions of the flow velocity. The application of different non-intrusive measurement techniques was possible due to relatively simple test model construction which may be used for cross-validation and experimental uncertainty quantification. Flow-structure interaction, caused by synchronization effect of the flow separation frequency (or it’s spectral components) and eigenfrequency of cylinder, was analyzed based on simultaneously measured data. The tests performed gave the information about dynamical characteristics of the flow and vibration parameters of cantilevered cylinders. The experimental results are used for identification of required accuracy of hydrodynamic forces calculation by CFD and validation of one- and two-way linked methods for flow excitation frequency calculation.