閘閥彎管液流系統振動噪聲及阻抑（簡體書）

閘閥彎管液流系統是充液管路系統的重要組成形式之一，其振動噪聲指標直接影響整個充液管路系統的可靠性和穩定性。尤其在高溫高壓工況下，閘閥在關閉過程中，內部高溫高壓流體受閘板擾流和彎管旋流共同作用，流體的不穩定會造成閘閥和管壁結構振動，並產生直接輻射噪聲（流致振動噪聲）。此外，液流系統的流致振動會通過其支承結構向外傳播，尤其在艦船等相對密閉的金屬箱體空間內會不斷放大，激勵殼體產生振動，並再由殼體向水中輻射振動噪聲，從而極大地降低了艦船的隱蔽性。本書通過理論分析、實驗研究和數值模擬相結合的方法，研究分析閘閥關閉過程中流固耦合下流體動力學行為及液流系統振動噪聲特性，提出抑制液流系統振動噪聲及閘閥卡澀、磨損的結構優化方案；采用新型纖維增強增韌復合材料，設計高阻尼減振復合支承座，減少液流系統振動，並阻斷振動傳播，以期提高閘閥彎管液流系統尤其是艦船的可靠性和隱蔽性。
本書共分為5部分。
① 建立充液閘閥彎管液流系統流量的流量系數表達式，並對流經彎管的流體流態進行數值仿真，得到不同雷諾數和不同彎徑比下的流量系數變化規律；通過彎管內、外側動壓分布實驗，進一步驗證應用歐拉數表述的彎管流動壓理論模型的科學性和合理性。
② 采用SST k -ω模擬方法深入研究流固耦合下，閘閥彎管液流系統內高溫高壓蒸汽流體的穩態動力學行為及特性，並與流場動壓實驗結果進行對比驗證；研究分析閘閥關閉過程中液流系統內流體速度分布、壓力分布、湍動能分布等流體特性規律，為下一步液流系統內流致振動噪聲特性準確分析、預測與制訂基於減振降噪的結構優化及驗證方案奠定基礎。
③ 在掌握閘閥關閉過程中閘閥彎管液流系統內蒸汽流體的實時動態特性及流動參數變化規律的基礎上，研究分析閘閥關閉過程中液流系統耦合振動特性、內部流場及耦合面噪聲分布規律，以及系統嘯叫和導向條磨損等故障成因。
④ 研究分析造成閘閥液流系統振動和噪聲的主要原因，並提出采用增加過渡圓角、采用平底閘板和加裝鼓形變徑擴縮管的結構優化方法，減少流體射流，降低閘閥前後壓差及壓力脈動，減弱閥後流體渦旋，達到液流系統減振降噪的目的，並通過CFD 方法分析驗證。
⑤ 采用新型纖維增強增韌聚酰亞胺樹脂基復合材料和二次拓撲優化的方法設計新型減振復合支承座，並對其進行靜、動態性能仿真分析，證明新型減振復合支承座具有抗變形能力強、剛度高、重量輕的優點，可顯著改善管路系統模態，避免局部及系統共振，減小流體壓力脈動，抑制液流系統振動的產生及傳播，有效提高閘閥彎管液流系統尤其是艦船的可靠性和隱蔽性。
本書在寫作過程中，得到了張進生教授、孟憲舉教授和任秀華副教授的指導與幫助，並參考了書後所列的參考文獻，在此向各位老師及各參考文獻的作者表示衷心的感謝。
由於作者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。

著者

第1章　閘閥彎管液流系統組成及其流致振動噪聲研究現狀001
1.1 研究背景及意義002
1.2 閘閥彎管液流系統概述004
1.2.1 閘閥彎管液流系統組成004
1.2.2 閘閥彎管液流系統技術參數005
1.2.3 閘閥關閉過程閘板開度劃分006
1.3 國內外研究現狀綜述007
1.3.1 閥門內流致振動噪聲及其抑制研究008
1.3.2 彎管內流致振動噪聲及其抑制研究010
1.3.3 支承座減振、隔振研究011

第2章　閘閥彎管內流場動壓分布理論及實驗研究013
2.1 彎管內流場動壓分布理論015
2.1.1 彎管流量系數研究現狀016
2.1.2 基於N-S方程的流量系數及求解017
2.2 液流系統流場動壓實驗研究019
2.2.1 流場動壓實驗工作原理019
2.2.2 流場動壓實驗方案及步驟019
2.2.3 流場動壓實驗結果及與計算結果相互驗證021

第3章　閘閥關閉過程中液流系統雙向耦合流場特性分析025
3.1 液流系統流場數值模擬方法及耦合方式027
3.1.1 液流系統流場數值模擬計算流體動力學基礎027
3.1.2 液流系統耦合數值模擬方法028
3.1.3 液流系統耦合理論及方式030
3.2 液流系統模型建立及參數設置033
3.2.1 液流系統三維建模033
3.2.2 網格劃分034
3.2.3 仿真參數設置035
3.3 閘閥關閉過程中系統耦合模擬及結果分析036
3.3.1 耦合模擬流場分析截面確定037
3.3.2 內部流場耦合模擬結果及實驗驗證038
3.3.3 內部流體雙向耦合流動特性分析045
3.3.4 高溫流體對固體結構熱變形的影響053
3.4 閘閥關閉過程中內部流場特性分析及對比056
3.4.1 閘閥關閉過程中內部流場壓力特性056
3.4.2 液流系統流阻系數、流量系數062
3.4.3 液流系統流量特性065

第4章　基於耦合模態的流致振動噪聲特性研究及故障分析067
4.1 彎管系統耦合振動有限元理論求解068
4.1.1 耦合系統模型建立與單元劃分069
4.1.2 耦合系統總體矩陣070
4.1.3 耦合系統振動方程及求解072
4.2 液流系統流致振動耦合模態結果分析074
4.2.1 耦合模態模擬方法及參數設置074
4.2.2 耦合模態模擬結果及分析076
4.3 液流系統流致噪聲數值模擬078
4.3.1 內部流體流致噪聲邊界元法078
4.3.2 流體域聲場分析特征場點的確定081
4.3.3 特征場點處聲壓及頻率響應分析081
4.3.4 流體與固體耦合面表面聲壓分布085
4.4 閘閥流致振動造成故障成因分析087
4.4.1 閘閥振動加劇及嘯叫成因分析087
4.4.2 閘板和導向條的磨損成因分析090

第5章　基於減振降噪的結構優化及驗證094
5.1 抑制振動噪聲的結構優化方法及方案確定095
5.1.1 液流系統流致振動噪聲成因分析095
5.1.2 閘閥及管路結構優化方法及方案確定097
5.2 減振後閘閥關閉過程流場特性分析098
5.2.1 減振後閘閥關閉過程中流體速度場098
5.2.2 減振後閘閥關閉過程中流場湍動能101
5.2.3 減振後閘閥關閉過程中流體壓力場103
5.2.4 減振後液流系統特性曲線105
5.3 減振後液流系統流致耦合振動特性分析107
5.4 降噪後流固耦合面流致噪聲分析110
5.5 減振後閘板和導向條磨損改善情況分析115

第6章　減振復合支承座的研究及其性能分析120
6.1 支承座剛度對液流系統振動的影響121
6.2 高阻尼減振復合材料確定及試樣制備122
6.2.1 高阻尼減振復合材料選擇及配比123
6.2.2 高阻尼減振復合材料支承座試樣制備123
6.3 高阻尼復合材料力學性能測試方案及結果124
6.3.1 強度測試原理124
6.3.2 試樣典型測點載荷-應變測試方案125
6.3.3 載荷-應變測試結果分析127
6.3.4 載荷-應變有限元分析131
6.4 減振復合支承座靜力學性能分析133
6.4.1 支承座建模及仿真參數設置133
6.4.2 減振復合支承座的靜力學性能134
6.5 減振復合支承座模態及減振特性136
6.5.1 支承座模態分析理論基礎136
6.5.2 減振復合支承座模態分析137
6.5.3 減振復合支承座對液流系統振動的影響141
6.6 減振復合支承座二次拓撲優化142
6.6.1 基於多目標的減振復合支承座二次拓撲優化建模142
6.6.2 減振復合支承座二次拓撲優化流程144
6.6.3 拓撲優化結果及減振性能對比145

參考文獻150