基于振动耦合效应的变径圆管内螺旋流的流动规律研究

Spiral flow in reducing tube has extensive engineering background, such as the hydrocyclone, the centrifugal equipment, etc. The inner fluid flow is strong spiral flow, in the operation the external vibration is inevitable, the vibration can make fluid in the tube oscillation and the spiral flow fluid under vibration conditions can produce the flow-induced vibration. The nonlinear coupling effect of flow field in time and space evolution and structural vibration will be form, and leads to the dynamic change of the spiral flow fluid. In this research the coupling numerical model of vibration for the spiral flow in reducing tube is established, in which the spiral flow-structure interaction is taken into account. The periodic vibration excitation are loaded on the reducing tube, and the PIV testing system and LEM SCADAS Mobile data acquisition system are used to test the internal flow field of reducing tube and characteristics of structure motion synchronously. Based on the test results，the established numerical model is modified. The effect of the periodic vibration coupling on internal flow line, vorticity, velocity gradient, and flow resistance are focused researched. So as to realize the correct forecast of internal flow laws in reducing tube under the vibration coupling condition, also it can provides theory basis for the research on generative mechanism of complex turbulence, turbulence drag reduction and syntony.

变径圆管螺旋流有着广泛的工程背景，如旋流分离器、离心设备等，内部流体流动属于强旋湍流，在设备运行中常会受到外部振动的干扰，使管内流场结构发生变化，振动干扰下强螺旋流又会产生流激振动，形成流场时空演化与结构振动的非线性耦合作用，导致螺旋流场的动态改变。本研究考虑变径圆管螺旋流与结构的振动耦合效应，建立周期性强迫振动下变径圆管内螺旋流流固耦合数值计算模型；采用PIV测试系统和LMS SCADAS Mobile数据采集系统，对外加周期振动激励的变径圆管内流场及结构运动规律进行同步测量，基于测试结果对所建立的数值计算模型进行修正；在此基础上，研究周期振动耦合效应对内部流线、涡量、速度梯度、流动阻力等的影响。从而实现振动耦合效应变径圆管内螺旋流流动规律的准确预测，为复杂湍流的生成机制、湍流减阻和共振的研究提供理论依据。

本研究针对旋流分离器、离心设备等内部的螺旋流与结构的振动耦合问题，开展了正弦激励作用下变径圆管内螺旋流场及结构运动规律研究。.完成了振动条件下变径圆管螺旋流双向耦合计算模型的构建，建立了振动测试实验台、PIV测试实验系统。开展了横向振动和纵向振动耦合作用变径圆管内螺旋流的流动规律及结构运动特性研究。研究不同振动方向、激振频率、激振力及流动雷诺数时，流场的速度、雷诺应力、流线及涡量等的变化规律，及结构的加速度、速度、位移和共振等频响特性。.结果表明，施加横向正弦振动时，螺旋流场随着结构一起运动，引起了流场结构的偏移，径向速度变大，切向速度不对称，轴向速度近轴区域速度变大，3个方向度速度互相影响，不同截面结构运动轨迹呈现“O”型，振动形态呈抛物线状；激振频率相同时，随激振力的增大，轴向速度变化较小，径向速度明显增大，切向速度不对称性增强，结构的运动形态不变，但运动幅度增大；激振力相同，激振频率不同时，沿着振动方向，3个方向速度随结构沿正负向摆动，33.36hz（共振时）摆动幅度最大，垂直与振动方向，共振使径向速度显著增加，切向速度不对称明显，各截面的速度分布规律不同。.施加纵向正弦振动时，随着振动频率的增加，轴向速度先增大后减小，在100Hz时达到最大，径向速度逐渐减小，且对称性明显改善，振动使雷诺应力明显减小。随着流量的增加，振动增加了轴向速度的回流，对径向速度的影响减弱。POD分解结果显示1阶模态为主模态，5阶模态以后基本为包含小尺度的复杂流动结构。振动使主模态的动能比增加，2-8阶模态的动能比变化梯度减小，振动一定程度上抑制了速度脉动。通过对不激振频率不同测点的加速度测量表明，施加高频振动时结构的加速度受流固耦合的作用较强，削弱了结构的运动。.上述振动耦合作用下变径圆管螺旋流流场和结构运动规律，可为水力旋流器在撬装结构、井下油水分离等振动工况的应用提供指导，同时也可为同类螺旋流的湍流减阻研究提供借鉴。