两相汇流旋涡抽吸演化机理及其非线性冲击振动检测方法

Research on two-phase sink vortex suction evolution mechanism and the nonlinear shock vibration detection method have important scientific value and engineering application significance. Based on the Ekman layer theory, two-phase fluid viscous coupling mechanism of vortex formation process is studied, and the two-phase boundary layer dynamic regulars of Ekman suction are obtained. According to level set method (LSM) topology transformation, the two-phase interface dynamical evolution process of vortex suction is researched, and the corresponding real-time tracing method for phase interface is put forward. Combining the fractal and particle image velocimetry (PIV) method to research the convergence and dissipation mechanism of micro sink vortex group, the dynamic attributes of the vortex critical transition status is obtained. Based on the vibration fluid field coupling theory, a finite length thin shell dynamic model considering the fluid-solid coupling is established to solute the forced vibration responses under different circumferential modals. Based on the above works, the Hilbert-Huang transform (HHT) is adopted to analyze the instant vibration distortion features of vortex suction, and implement the on-line detection and recognition of vortex formation process under invisible conditions.

研究两相流旋涡抽吸演化机理及其非线性冲击振动检测方法，具有重要的科研价值与工程应用意义。基于艾克曼(Ekman)层流动理论，研究旋涡抽吸过程中的两相流体粘滞耦合机理，得到Ekman抽吸过程的两相边界层动力学规律；基于水平集(LSM)拓扑变化方法，研究旋涡抽吸两相界面动态演变过程，并提出相应的相界面形态实时追踪方法；采用分形(Fractal)与粒子图像测速(PIV)相结合的方法研究汇流微涡团聚合与耗散机理，得到旋涡临界穿越状态动力学特性；基于振动波流场耦合理论，建立考虑液固耦合的有限长薄壁管壳动力学模型，并求解各阶周向模态下的受迫振动位移响应。在此基础上，给出有限长圆柱薄壁管壳在旋涡冲击作用下的振动响应计算方法及其算例，利用希尔伯特-黄变换(HHT)方法对旋涡贯穿突变振动瞬态特征进行分析，实现在不可见条件下的旋涡抽吸状态在线检测与识别。

汇流旋涡是常见自然现象，但却是一个复杂的湍流力学问题，在冶金浇注、化工分离、水利监控等工业领域广泛存在。在旋涡形成及抽吸过程中，有一系列冲击振动产生。旋涡冲击振动与旋涡形成临界状态跃迁相关，是内部能量积聚、释放的结果，当前尚未有关于旋涡冲击振动方面的研究报道。因此，研究汇流旋涡形成及抽吸演化机理，揭示旋涡临界状态与其所产生振动的本质联系，可对流体涡团、流固耦合噪声等动力学问题提供有益参考，也可为相关工业系统的研发提供技术支持，具有重要的科学研究价值与工程应用前景。. 针对上述研究目标，本项目所开展的研究工作及重要结果如下：基于艾克曼(Ekman)层流动理论，研究旋涡形成过程中的两相流体粘滞耦合机理，得到了Ekman抽吸过程的两相边界层动力学规律；基于水平集(LSM)拓扑变化方法，研究旋涡抽吸两相界面动态演变过程，提出了一种多相界面形态实时追踪方法；采用粒子图像测速(PIV)方法研究汇流微涡团聚合与耗散机理，得到了旋涡临界穿越状态动力学特性；基于振动波流场耦合理论，建立了液固耦合有限长薄壳动力学模型，并求解各阶周向模态下的受迫振动位移响应。在此基础上，给出有限长薄壳在旋涡冲击作用下的振动响应计算方法，利用希尔伯特-黄变换(HHT)方法对旋涡贯穿突变振动瞬态特征进行分析，实现不可见条件下的旋涡形成过程在线检测与识别。. 上述研究成果在理论方面可以为自由界面旋涡动力学所涉及的旋涡形成机理、多相耦合、贯穿演化等方面的研究提供理论依据，也可为薄壁管壳在液固耦合条件下的受迫振动特性研究提供借鉴；在技术方面，可以为非线性流体冲击振动信号动态识别提供解决方案，对于不可见条件下的容器内部流场状态识别，如压力容器维护、管道运输监控、密封舱体检测等领域，具有普适意义。