带竖直隔板的二维矩形储液系统中流体晃动研究

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在航空航天、交通运输、民用和核工业等众多工程领域中都存在大量流体晃动问题。部分充液的储液系统在外部激励的作用下,流体与储液系统会发生复杂的流-固耦合作用,产生危害储液系统的作用力,当外部激励频率接近流体的晃动固有频率时,剧烈的流体晃荡往往会对结构造成毁灭性的破坏。大量研究表明,在储液系统中安装隔板是一种十分有效的抑制晃动的方法。所以本文研究了带竖直隔板的矩形储箱中流体的晃动特性与外部激励作用下的动力响应。本文的研究内容主要从以下几个方面展开:(1)首先针对矩形储箱中两种不同的隔板安装方式建立了相应的半解析模型,一种是隔板安装在矩形储箱自由液面处,另一种是隔板安装在矩形储箱底部。基于半解析模型,研究了隔板参数对晃动频率的影响。在流体域中引入人工界面,将流体域划分成4个流体子域,通过叠加原理将每个子域对应的速度势函数分解为若干个分量,然后利用分离变量法求解每个速度势函数的分量,将每个速度势函数的分量进行叠加,可得每个流体子域对应的速度势函数的形式解。根据流体子域界面上的速度、压力连续边界条件和自由液面运动方程可以建立关于待定系数的方程。采用加权积分消去其中的空间坐标,得到线性方程组。使用求解广义特征值的方法可以求得流体晃动的固有频率。通过收敛性分析和与ADINA结果的比较研究,验证了本文方法求解的正确性与求解精度。(2)基于流体晃动频率与模态研究了水平激励下储箱中流体晃动的响应,对两种不同的隔板安装方式进行比较,分析了隔板参数对储箱内流体晃动响应的影响。在水平激励作用下,速度势函数可以分解为刚体速度势函数与摄动速度势函数。在摄动速度势函数中引入时间的广义坐标,结合在自由液面处的动力学和运动学方程建立储液系统的动力响应方程,用Duhamel积分求解动力响应方程。然后,求解了瞬态的自由液面波高时程曲线,并且与ADINA的求解结果进行对比,验证了本文方法的正确性。然后着重研究了隔板参数对自由液面波高、基底剪力和倾覆力矩的影响。(3)研究了带有竖直弹性隔板的二维矩形储箱中的流体晃动与弹性隔板振动的耦合作用。在二维矩形储箱中,弹性隔板可以简化为欧拉-伯努利梁,通过其横向振动方程可以推导出隔板的干模态(即隔板在真空中的模态),以隔板的干模态作为试函数,即可得到隔板挠度的形式解。将流体速度势的形式解与隔板挠度的形式解分别代入自由液面条件、人工界面上的连续条件以及耦合振动条件即可建立关于待定系数的方程。通过使用三角函数和隔板函数的正交性,消除了该方程中的空间坐标。通过使用广义特征值法可以确定速度势函数和隔板函数的待定系数,以获得固有频率及其模态。速度势函数由两部分组成,分别是刚体速度势函数和摄动速度势函数。利用自由液面方程和隔板横向振动方程建立动态响应方程,用Duhamel积分对其进行求解。将ADINA的解与本方法的结果进行了比较,验证了本文方法的正确性和求解的可靠性。最后,详细讨论了隔板参数对流体晃动的影响。
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