云空化流动结构动力激振及其控制机理研究

Recently a strong vibration phenomenon has been found on some high speed ships that obvious vibration was detected near the appendages of ships under fast conditions. At the same time, intense impingement appears randomly in the relative cabin and high amplitude pulses appear randomly in the time domain signal of accelerometer. This phenomenon greatly affects the comfort of ships and the safety of local structures, and becomes a new universal problem when the ship speed performance is generally improved. It is found by experiment that this phenomenon is related to the cavitation on the appendage. However, there is no sufficient understanding on what kind of cavitation behavior leads to this problem. Therefore, effective control method is still absence..This project focuses on the phenomenon of vibration induced by cloud cavitation flow structure. Multi-signal synchronous measurement technology and numerical simulation method are used to simulate the process of typical cloud cavitating flow around ship appendages and analyze the relationship between typical cloud cavitation flow structure and its dynamic characteristics. Thus it would shed some light on the generation mechanism for cloud cavitation induced dynamic characteristics. Additionally, the mechanism for cloud cavitation induced vibration and its control is explored by comparing the change of dynamic signal under various flow conditions. It will provide a basis for the understanding and control of vibration, noise and cavitation erosion in engineering.

近年来在部分高航速船舶上出现了一种强振动现象，即某些高航速工况下船舶附体部位的船体上可监测到明显的振动，且相应舱室内伴有随机性出现的强烈撞击声，在振动加速度时域信号上表现为随机性出现的高幅值脉冲峰值。这一现象极大影响了船舶的舒适性和局部结构的安全性，并成为船舶航速性能普遍提升后的普遍性新问题。实船试验发现该现象与附体部位出现空化相关，但是对于空化的何种行为导致这一现象，目前尚缺乏有效认知，因而导致对其缺乏有效的控制手段。.本项目针对云空化流动结构激振这一现象，通过模拟典型船舶附体云空化流动过程，利用多信号同步测量试验技术结合数值模拟方法，分析典型云空化流动结构与其动力特征之间的关联，探究云空化流动结构动力特性形成机理，并通过动力特征的变化规律分析云空化结构动力激振的机制及其控制机理，为工程上振动、噪声和空蚀问题的认识和控制提供依据。

空化是舰船高航速运行状态下常见的现象，其非定常演化过程引起的压力脉动会带来系列危害，影响舰船结构的安全性以及隐蔽性。尤其是空化脉动载荷中的脉冲特征，会激励船体产生强烈的异响及空蚀。但是长久以来，受测试手段等诸多因素限制，对于空化的何种形态特征引起冲击，一直缺乏足够认知。以往以单泡为对象的大量理论及试验研究表明，高幅值载荷脉冲是由泡的溃灭过程引起，但是对于实际状态下的空化，其发展过程包含片空化脱落、破碎并形成群泡状云空化结构等诸多复杂转换，高幅值脉冲由何种特征引起，在项目开展之前一直未能明确。.本项目研究过程中，通过引入空化高速摄影和高频脉动特征时域同步测量方法，利用图像与脉动信号的时域对应特征，捕捉到水翼云空化流动过程中由空化引起的典型冲击与空化形态特征之间的对应关系，且经系列工况进行了系统验证。结果显示，高幅值脉冲由片空化脱落之后形成的云空化局部整体溃灭和反弹导致。结合实船螺旋桨同步测试结果，验证了实际舰船螺旋桨上空化冲击的产生也符合上述规律。这一结果一是为实际工程问题的成因提供了更为深入的认识，二是可为空蚀风险评估领域如何通过图像判断空化冲击提供了依据，三是加深了对空化群泡特征与冲击之间关系的物理规律的认识，可为空化及空蚀模型的构建及发展提供依据。.另一方面，实际舰船空化冲击引起异响问题中，主要依托分布在船体的振动加速度传感器获得的脉冲信号表征。对于空化脉动产生的冲击如何由产生部位向监测部位传播，一直未能明确。尤其是对于冲击载荷是否能够由产生部位直接通过流体作用于船体这一问题，项目开展之前对其认识较为模糊。本项目研究过程中借助时频分析方法，对时域同步记录的高频响压力脉动与振动加速度脉冲信号分析发现，源自流体和源自结构的脉冲信号瞬态频率特征存在显著差别。证实了冲击可由流体直接传播这一机制，从而对空化冲击载荷传播特性的认识有了较大幅度的提升，也为其控制原理的认识提供重要依据。