pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-3-223-232pimi-448Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsИзмерения гидродинамических и вибрационных характеристик для валидации численных расчетов возбуждения конструкций потоком жидкостиMeasurements of the Hydrodynamic and Vibrational Characteristics to Validate Numerical Calculations of the Structure Excitation by Fluid FlowБудниковА. B.BudnikovA. V.

Burnakovsky proezd, 15, Nizhny Novgorod 603074, Russia

ШмелевЕ. И.ShmelevE. I.

Burnakovsky proezd, 15, Nizhny Novgorod 603074, Russia

КуликовД. А.KulikovD. A.

Burnakovsky proezd, 15, Nizhny Novgorod 603074, Russia

ЛогиновА. В.LoginovA. V.

Адрес для переписки: А.В. Логинов – Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. Африкантова, Бурнаковский проезд, 15, г. Нижний Новгород 603074, Россия    e-mail: loginoff.86@gmail.com

 

Address for correspondence: A.V. Loginov – Afrikantov OKB Mechanical Engineering, Burnakovsky proezd, 15, Nizhny Novgorod 603074, Russia     e-mail: loginoff.86@gmail.com

loginoff.86@gmail.comДмитриевС. М.DmitrievS. M.ПрибатуринН. А.PribaturinN. A.ЛобановП. Д.LobanovP. D.

Akademician Lavrentiev Ave., 1, Novosibirsk 630090, Russia

СуворовА. С.SuvorovA. S.СтуленковА. В.StulenkovA. V.Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. АфрикантоваРоссияAfrikantov OKB Mechanical EngineeringRussian FederationНижегородский государственный технический университет имени Р.Е. АлексееваРоссияR.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical UnivercityRussian FederationИнститут теплофизики имени С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наукРоссияS.S. Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Division of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут прикладной физики Российской академии наукРоссияInstitute of Applied Physics of the Russian Academy of SciencesRussian Federation201909092019103223232Copyright © Будников А.B., Шмелев Е.И., Куликов Д.А., Логинов А.В., Дмитриев С.М., Прибатурин Н.А., Лобанов П.Д., Суворов А.С., Стуленков А.В., 20192019Будников А.B., Шмелев Е.И., Куликов Д.А., Логинов А.В., Дмитриев С.М., Прибатурин Н.А., Лобанов П.Д., Суворов А.С., Стуленков А.В.Budnikov A.V., Shmelev E.I., Kulikov D.A., Loginov A.V., Dmitriev S.M., Pribaturin N.A., Lobanov P.D., Suvorov A.S., Stulenkov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/448

Вибрация конструкций под воздействием нестационарных гидродинамических сил, обусловленных обтеканием потоком поверхностей конструкций, может неблагоприятно сказываться на прочности и усталостной долговечности. Снижение неблагоприятного воздействия гидродинамических сил в настоящее время становится возможным по результатам связанных трехмерных расчетов гидродинамики (CFD) и вибрации. Однако для адекватного описания в связанной задаче определяющих физических процессов должны использоваться специфические именно для задачи гидроупругих колебаний расчетные модели и подходы. Для обоснования и валидации таких подходов разработана экспериментальная модель и выполнена серия исследований процесса возбуждения конструкции потоком воды.

В качестве конструкции рассматривалась модель, состоящая из двух последовательно установленных цилиндров в поперечном потоке рабочей среды. В процессе испытаний, в зависимости от скорости потока, измерялись уровни вибраций и пульсаций давления в потоке и нестационарных полей скорости. Относительно простая конструкция рассматриваемой модели позволила применить различные бесконтактные системы измерений нестационарных процессов для кроссвалидации получаемых экспериментальных данных и для оценки неопределенностей в процессе испытаний.

На основании полученных данных синхронных измерений анализировалось взаимное влияние потока и динамики конструкции, обусловленное эффектом синхронизации между частотой срыва (или ее гармониками) и собственной частотой цилиндров. Таким образом, выполненные исследования позволили получить информацию одновременно и о динамических характеристиках потока, и о параметрах, характеризующих вибрацию, для случая консольного закрепления стержней.

Полученные экспериментальные данные используются для определения требований к точности проведения численных расчетов гидродинамических сил и для валидации однои двусторонне связанных методов численного расчета возбуждений конструкций потоком.

Structure vibration under the influence of unsteady hydrodynamic forces caused by the flow around their surfaces can adversely affect durability and rupture life. Reducing the adverse effects of hydrodynamic forces is currently possible with the help of linked CFD and vibration calculations. However, for an adequate description of the associated processes one should use calculation models and approaches specific to the hydro-vibration problem. To justify and validate such approaches, an experimental model was developed and a series of structure excitation tests in water flow was carried out.

The model comprises two cylinders installed sequentially in water crossflow. Vibration levels, pressure and velocity fluctuations were measured in the tests as a functions of the flow velocity. The application of different non-intrusive measurement techniques was possible due to relatively simple test model construction which may be used for cross-validation and experimental uncertainty quantification.

Flow-structure interaction, caused by synchronization effect of the flow separation frequency (or it’s spectral components) and eigenfrequency of cylinder, was analyzed based on simultaneously measured data. The tests performed gave the information about dynamical characteristics of the flow and vibration parameters of cantilevered cylinders. The experimental results are used for identification of required accuracy of hydrodynamic forces calculation by CFD and validation of oneand two-way linked methods for flow excitation frequency calculation.

валидациявибрацияPIV и LDV методылазерный виброметрсобственная частотаvalidationvibrationPIVLDVlaser vibration metereigenfrequencyReferencesPettigrew M., Taylor C., Fisher N., Yetisir M., Smith В.A.W. Flow-induced vibration: recent findings and open questions. Nuclear Engineering and Design, 1998, vol. 185, pp. 249–276. DOI: 1016/S0029-5493(98)00238-6Pettigrew M., Taylor C., Fisher N., Yetisir M., Smith В.A.W. Flow-induced vibration: recent findings and open questions. Nuclear Engineering and Design, 1998, vol. 185, pp. 249–276. DOI: 1016/S0029-5493(98)00238-6Shin Y.S., Wambsganss M.W. Flow-induced vibration in lmfbr steam generators: a state-of-the-art review. Nuclear Engineering and Design, 1977, vol. 40, iss. 2, pp. 235–284. DOI: 1016/0029-5493(77)90038-3Shin Y.S., Wambsganss M.W. Flow-induced vibration in lmfbr steam generators: a state-of-the-art review. Nuclear Engineering and Design, 1977, vol. 40, iss. 2, pp. 235–284. DOI: 1016/0029-5493(77)90038-3Paidoussis M. Real-life experiences with flowinduced vibration. Journal of Fluids and Structures, 2006, vol. 22, iss. 6–7, pp. 741–755. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2006.04.002Paidoussis M. Real-life experiences with flowinduced vibration. Journal of Fluids and Structures, 2006, vol. 22, iss. 6–7, pp. 741–755. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2006.04.002Kaneko S., Nakamura T., Inada F. Flow-Induced Vibrations Classifications and Lessons from Practical Experiences. Elsevier, Second Edition, 2014, 410 p.Kaneko S., Nakamura T., Inada F. Flow-Induced Vibrations Classifications and Lessons from Practical Experiences. Elsevier, Second Edition, 2014, 410 p.Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 1998, vol. 1, 572 p.Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 1998, vol. 1, 572 p.Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 2004, vol. 2, 888 р.Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 2004, vol. 2, 888 р.Devnin S.I. Fluid elasticity of structures in the detached fl Sudostroenie, St. Petersburg, Russia, 1975, 184 p.Devnin S.I. Fluid elasticity of structures in the detached fl Sudostroenie, St. Petersburg, Russia, 1975, 184 p.Shinde V. Fluidelastic instability in heat exchanger tube arrays and a Galerkin-free model reduction of multiphysics systems. Engineering Sciences (physics). Ecole Polytechnique, 2015, 207 р. DOI: 10.13140/RG.2.1.2349.5761Shinde V. Fluidelastic instability in heat exchanger tube arrays and a Galerkin-free model reduction of multiphysics systems. Engineering Sciences (physics). Ecole Polytechnique, 2015, 207 р. DOI: 10.13140/RG.2.1.2349.5761William J., Fichet V., Goreaud N. Advanced comparison of CFD Fluent code with experimental data on a transverse flow across rod bundle using LDV, PIV, Optical Flow and POD, 23 Congrès Français de Mécanique, Lille, 2017, 24 р.William J., Fichet V., Goreaud N. Advanced comparison of CFD Fluent code with experimental data on a transverse flow across rod bundle using LDV, PIV, Optical Flow and POD, 23 Congrès Français de Mécanique, Lille, 2017, 24 р.Sumner D. Two circular cylinders in cross-flow: A review. Journal of Fluids and Structures, 2010, vol. 26, iss. 6, pp. 849–899. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2010.07.001Sumner D. Two circular cylinders in cross-flow: A review. Journal of Fluids and Structures, 2010, vol. 26, iss. 6, pp. 849–899. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2010.07.001Chen S.S., Jendrzejczyk J.A. Flow velocity dependence of damping in tube arrays subjected to liquid cross flow. Journal of Pressure Vessel Technology, 1981, vol 103, pp. 130–135. DOI: 10.1115/1.3263377Chen S.S., Jendrzejczyk J.A. Flow velocity dependence of damping in tube arrays subjected to liquid cross flow. Journal of Pressure Vessel Technology, 1981, vol 103, pp. 130–135. DOI: 10.1115/1.3263377Pettigrew M.J., Rogers R.J., Axisa F. Damping of Heat Exchanger Tubes in Liquids: Review and Design Guidelines. Journal of Pressure Vessel Technology, 2011, vol. 133, iss. 1, 014002, pages 11. DOI: 10.1115/1.4000711Pettigrew M.J., Rogers R.J., Axisa F. Damping of Heat Exchanger Tubes in Liquids: Review and Design Guidelines. Journal of Pressure Vessel Technology, 2011, vol. 133, iss. 1, 014002, pages 11. DOI: 10.1115/1.4000711

The authors declare that there are no conflicts of interest present.