Измерения гидродинамических и вибрационных характеристик для валидации численных расчетов возбуждения конструкций потоком жидкости

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.

1. Pettigrew 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)00238-6

2. Shin 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)90038-3

3. Paidoussis 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.2006.04.002

4. Kaneko S., Nakamura T., Inada F. Flow-Induced Vibrations Classifications and Lessons from Practical Experiences. Elsevier, Second Edition, 2014, 410 p.

5. Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 1998, vol. 1, 572 p.

6. Paidoussis M.P. Fluid-structure interactions: slender structure interactions and axial flow. Academic press, 2004, vol. 2, 888 р.

7. Devnin S.I. Fluid elasticity of structures in the detached fl Sudostroenie, St. Petersburg, Russia, 1975, 184 p.

8. 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.2.1.2349.5761

9. 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.

10. 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.2010.07.001

11. Chen 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: 10.1115/1.3263377

12. Pettigrew 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