Резонанс тонкого стержня в потоке жидкости

[Guterfreund 75]

Ребята, привет!

 

Имеется следующая задача: в объеме жидкости (условно бассейн) расположена стальная конструкция, приводимая в действие через тонкий длинный вал. На дне бассейна расположен насос, который подает жидкость в бассейн со скоростью до 4-5 м/с (диаметр патрубка 1.5 - 2 метра), объем бассейна около 300 кубов, геометрия сложная. Верх бассейна сообщается с атмосферой, переток осуществляется самотеком через край бассейна.

 

В работе стальной конструкции возникли проблемы в таком режиме. Анализ CFX показал, что при такой подаче вся среда (жидкость) крайне возмущена. В расчете стальной конструкции учитывались гидродинамические давления, которые превышают, определенные в анализе CFX. Однако, не был проведен анализ на возможный резонанс стального вала.

 

Вопрос: возможен ли, принципиально, резонанс вала при установившейся подаче (без пульсации среды) через патрубок? Если такой резонанс возможен, как, в общих словах, можно оценить такой резонанс численно? Я так понимаю, это будут нестационарные расчеты?

 

Спасибо!

[soklakov 1 475]

1 час назад, Guterfreund сказал:

Вопрос: возможен ли, принципиально, резонанс вала при установившейся подаче (без пульсации среды) через патрубок? Если такой резонанс возможен, как, в общих словах, можно оценить такой резонанс численно? Я так понимаю, это будут нестационарные расчеты?

если железку сунуть в воду, то ее СЧ изменятся. и это - гармонические расчеты. а потоком среды можно и пренебречь, дабы сложнее Гельмгольца никого не звать.

[Guterfreund 75]

51 минуту назад, soklakov сказал:

если железку сунуть в воду, то ее СЧ изменятся. и это - гармонические расчеты. а потоком среды можно и пренебречь, дабы сложнее Гельмгольца никого не звать.

Ну если говорить про резонанс, то он актуален при наличии внешнего возбуждения. Меня интересует вопрос: при отсутствии прочих внешних возбуждений кроме движения потока жидкости при непульсирующей подаче может ли начать каким-то образом резонировать стержень?

 

Хотя, вот, наверное, и нарисовался ответ. Можно ли рассматривать подачу насосом в качестве установившегося непульсирующего потока? Наверное нет!

 

И порядок решения, наверное такой: определиться с законом изменения подачи, решить нестационарную гидравлическую задачу, проимпортировать поля давлений на конструкцию, найти отклик стальной конструкции. Отклик стальной конструкции при таких вводных только в переходном структурном или гармонический как-то можно подцепить?

 

Спасибо!

[Борман 2 375]

19 минут назад, Guterfreund сказал:

решить нестационарную гидравлическую задачу, проимпортировать поля давлений на конструкцию,

Это вода. Скорость звука несколько тысяч метров в секунду. Можете вообще ее не рассматривать. Просто приложите давление с нужной частотой. Если резонанс в области НЧ, то вообще можно особо не париться с водой.

Так или иначе по частоте можно понять что за причина возбуждения.

[soklakov 1 475]

21 минуту назад, Guterfreund сказал:

Меня интересует вопрос: при отсутствии прочих внешних возбуждений кроме движения потока жидкости при непульсирующей подаче может ли начать каким-то образом резонировать стержень?

легко. поток на входе не пульсирует, но обтекая препятствия - начинает пульсировать.

22 минуты назад, Guterfreund сказал:

Можно ли рассматривать подачу насосом в качестве установившегося непульсирующего потока?

если знаете частоту пульсации потока (например, насос поршневой), то СЧ вала просто не должна с ней совпасть. здесь или стоит учесть присоединенную массу воды или можно пренебречь, в зависимости от жесткости вала.

если же насос качает все-таки равномерно, то см. выше - пульсация может возникнуть при обтекании. частота пульсации тогда определяется по габаритам через число Струхаля, либо полноценным CFD-нестационаром. и снова - она просто не должна совпасть с СЧ вала.

6 минут назад, Борман сказал:

Скорость звука несколько тысяч метров в секунду.

полторы. и неизвестны габариты. может там на длину вала несколько длин волн)) вряд ли конечно.

[Guterfreund 75]

Спасибо, ребята за помощь! Будем углубляться...

[MotorManiac 130]

3 часа назад, Guterfreund сказал:

В работе стальной конструкции возникли проблемы в таком режиме.

А вы учитываете болтанку рабочего колеса, вызванную давлением жидкости на лопатки, если оно скажем центробежное ? А если колесо центробежное,   равномерно оно работать не будет.

[Jesse 957]

3 часа назад, Guterfreund сказал:

В работе стальной конструкции возникли проблемы в таком режиме

какие проблемы?

[karachun 2 038]

При обтекании скорее всего образуется вихревая дорожка, вот такая

но против нее можно принять меры - навить интерцепторы и колебания уменьшатся.

По идее можно посчитать в CFD, что Вы уже сделали а потом в МКЭ найти собственную частоту патрубка с учетом присоединенной массы жидкости (для этого есть специальные инструменты), если они близки, то будет резонанс. Возможно присоединенная масса жидкости будет не нужна, надо сравнивать. Динамику корпуса судна считают всегда с учетом воды - находят "мокрые формы".

2577.pdf

[piden 2 874]

46 minutes ago, Jesse said:

какие проблемы?

Пссc... 

20 minutes ago, karachun said:

навить интерцепторы и колебания уменьшатся.

Только есть риск, что тогда "тонкий вал" превратиться в "тонкий длинный гребной винт")

[karachun 2 038]

24 минуты назад, piden сказал:

Только есть риск, что тогда "тонкий вал" превратиться в "тонкий длинный гребной винт")

Мда, быстро читал и упустил момент что это вал, я думал что это труба. Тогда можно менять массу и жесткость чтобы уйти от резонанса.

Еще можно закрыть вал в кожух большего диаметра -> частота вихрей уменьшится. Число Струхаля для цилиндра Sh=f*d/V в большом диапазоне Re практически не меняется. И вибрация перейдет на кожух.

Изменено 2 декабря 2019 пользователем karachun

[Jesse 957]

3 часа назад, soklakov сказал:

если железку сунуть в воду, то ее СЧ изменятся

а почему кстати меняются? до этого тема была что преднапряжение (сжатие) уменьшает собств. частоты. Вряд бассейн супер глубокий с большой гидростатикой так, чтоб вал сильно сжался...
с другой стороны есть вода, которое создаёт доп. демпфирование.. Но по идее оно влияет только на свободные колебания твёрдого тела, а на деформации не очень.. или очень?)

[soklakov 1 475]

15 минут назад, karachun сказал:

Число Струхаля для цилиндра Sh=f*d/V в большом диапазоне Re практически не меняется.

я конструкцию не знаю, но что если поток не поперек вала, а вдоль, или даже лучше под углом.

1 минуту назад, Jesse сказал:

а почему кстати меняются?

зачем - любимый вопрос.

почему - ненавистный.

3 минуты назад, Jesse сказал:

Но по идее оно влияет только на свободные колебания твёрдого тела

а собственные частоты - это про что?

[karachun 2 038]

8 минут назад, Jesse сказал:

а почему кстати меняются?

Присоединенная масса жидкости. Вода тоже колеблется вместе с конструкцией. Получается уже не только сама пластинка а система структура+некоторый объем окуружающей воды.

Вот тут сухая стальная пластина 1000х200х5 мм имеет первую СЧ ~4 Гц, а полностью погруженная в воду ~2 Гц.

2577.pdf

На Википедии даже статья есть.

https://en.wikipedia.org/wiki/Added_mass

[Jesse 957]

29 минут назад, karachun сказал:

Присоединенная масса жидкости. Вода тоже колеблется вместе с конструкцией. Получается уже не только сама пластинка а система структура+некоторый объем окуружающей воды.

аа-а! другой базар.
в pdf-ке правда идеальная жидкость.. с учётом вязкости наверно вообще сложная модель получилась бы.. да и не решает это дело особо.. если у нас тёпленькая водичка

Изменено 2 декабря 2019 пользователем Jesse

[karachun 2 038]

39 минут назад, Jesse сказал:

с учётом вязкости

Это все в рамках малых перемещений, вязкость не влияет, влияет только плотность. В той статье не только МКЭ, там еще идет сравнение с экспериментом и получается достаточно неплохо.

Вообще и присоединенная масса воздуха тоже влияет, но настолько незначительно что ее можно игнорировать.

Если малых перемещений не достаточно то можно сделать 2-way-FSI и там учесть и вязкость и вихри и много чего еще, но тяжко все это.

https://www.youtube.com/watch?v=fFb24c8Y9Q8

https://www.youtube.com/watch?v=f5dXR0pmQvg

https://www.youtube.com/watch?v=mt2wv5P5zaY

39 минут назад, Jesse сказал:

да и не решает это дело особо..

90% вопросов закрываются присоединенной массой, для динамики однокорпусного судна этого достаточно, еще 8% решаются бассейном с аккустическими элементами - это если считают катамаран с двумя корпусами - они могут влиять друг на друга через воду - получаются совместные формы, и 2% это FSI и поиски научной новизны.

Изменено 2 декабря 2019 пользователем karachun

[soklakov 1 475]

27 минут назад, karachun сказал:

влияет только плотность.

@Jesse , attention please!

 

[karachun 2 038]

3 минуты назад, soklakov сказал:

attention please!

Ну и еще расстояние до свободной поверхности - если положить лист плашмя, параллельно зеркалу жидкости, так чтобы сверху был только один миллиметр этой самой жидкости - то результат будет один, а если погрузить пластину перпендикулярно свободной поверхности - то другой.

Посчитал модельку из статьи у себя - по эксперименту получается 3,84 и 1,78 Гц для сухой и мокрой (полностью погруженной) пластины, а в МКЭ вышло 3,94 и 1,83 соответственно. Довольно таки неплохо.

P.S. в другой теме тот-кого-нельзя-называть пытался меня убедить что этого быть не может так как у пластины не меняется масса и жесткость и частоты должны быть одинаковы.

[soklakov 1 475]

5 минут назад, karachun сказал:

и 1,83 соответственно.

мокрая как считалась?

с присоединенными массами неинтересно.

[karachun 2 038]

@soklakov По простому - регион с присоединенной массой. Городить бассейн аккустических элементов дольше и я уже успел забыть какие кнопки нужно для этого бассейна жать и как правильно задавать для него ГУ.