流–固耦合共振式流体滤波器性能研究
流固耦合声学分析介绍
流固耦合声学分析介绍流固耦合声学分析是一种结合了流体动力学和固体动力学的分析方法，用于研究流体和固体之间的相互作用以及声波的传播和辐射。
在许多工程和科学领域中，流固耦合声学分析被广泛应用于汽车、航空航天、船舶、建筑、声学设备等领域。
流固耦合声学分析的基本原理是通过数学模型和计算方法将流体动力学和固体动力学耦合在一起。
在此分析中，首先需要确定流体流动的初始条件，包括流体的速度、压力和密度分布。
然后需要确定固体结构的几何形状和材料力学性质，并考虑外部声源或振动源对固体的激励。
接下来，通过求解流体动力学方程和固体动力学方程的耦合方程组，可以获得流场和固场的解，并计算声波的传播和辐射情况。
流固耦合声学分析的主要应用之一是预测机械结构在流体流动中的响应和振动情况。
例如，可以通过该方法研究汽车外壳在行驶过程中的空气动力学效应以及引擎振动对车身的影响。
通过模拟流固耦合声学分析，可以优化汽车外壳的设计，降低噪声和振动水平，提高乘坐舒适性。
同样，该分析方法还可以用于研究飞机机翼、船体、建筑等结构在流体流动中的响应和振动情况，以提高它们的性能和安全性。
流固耦合声学分析还可以用于预测声波的传播和辐射。
例如，在航空航天领域中，可以通过该方法研究喷气发动机尾迹噪声的传播和辐射特性，改进发动机设计，降低噪声水平。
在建筑领域，可以使用流固耦合声学分析预测建筑结构的隔声性能，改善室内声环境。
在声学设备领域，可以通过该分析方法优化扬声器和音箱的设计，改善音质和音量的性能。
流固耦合声学分析主要依靠计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等计算方法来求解耦合方程组。
这些计算方法通常需要使用计算机辅助工程软件，如ANSYS、ABAQUS等。
这些软件提供了丰富的数学模型、求解算法和后处理工具，可以帮助工程师和科学家快速、准确地进行流固耦合声学分析。
然而，流固耦合声学分析也面临一些挑战和限制。
首先，由于流场和固场的方程组是非线性的，求解过程具有一定的复杂性和计算量。
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。
因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。
本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。
一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。
其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。
在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。
而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。
二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。
其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。
通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。
2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。
通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。
常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。
通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。
三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。
目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。
1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。
减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。
阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。
2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指液体或气体与固体之间相互作用并相互影响的物理过程。
在过去几十年里，流固耦合的研究与发展取得了令人瞩目的进展。
本综述将对流固耦合的研究背景、发展状况和前景进行综述。
首先，流固耦合的研究背景。
流固耦合的研究源于对大气和海洋中的风暴、涡旋和浪潮等自然规律的理解。
这些自然现象中，液体和气体介质与地球表面的固体结构相互作用，并产生复杂而有趣的现象。
例如，在风暴过程中，气体通过辐合进而产生强风和风暴潮，对海岸线造成严重的破坏。
了解这些流固耦合的现象对于防灾减灾和环境保护具有重要意义。
此外，流固耦合的研究还可以应用于工程领域，如航空航天、水利水电和海洋工程等。
其次，流固耦合的研究发展。
随着计算机技术和数值模拟方法的发展，研究人员能够模拟和预测流固耦合过程中的各种物理现象。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法能够解决流固耦合问题中的非线性、多物理场和多尺度等复杂问题。
此外，研究人员还开展了实验和理论研究，以更加全面和深入地理解流固耦合过程。
当前流固耦合的研究重点包括气液两相流动、流体力学与固体力学的相互作用、液固界面的动态行为等。
最后，流固耦合的研究前景。
随着数据采集和处理技术的不断进步，流固耦合的研究正朝着多尺度、多物理场和多学科的方向发展。
在气液两相流动中，研究人员将继续探索液滴、气泡和颗粒的动力学行为，以及它们与固体表面之间的相互作用。
在流体力学和固体力学的相互作用中，研究人员将关注固体结构如何影响流体流动和固体应力分布。
在液固界面的动态行为中，研究人员将继续研究液滴的形变和破裂机制，并探索其在材料科学和生物医学领域的应用。
总之，流固耦合的研究与发展具有广阔的应用前景。
通过深入理解流固耦合过程的物理机制，可以提供有关气候变化、自然灾害和工程设计等方面的关键信息。
这些研究也有助于推动相关学科的发展，如流体力学、固体力学和材料科学等。
随着技术的不断进步和理论的不断完善，相信流固耦合的研究将加速，为我们理解和利用自然界的复杂现象提供更多的支持和指导。
基于流体-结构耦合振动的液压脉动滤波器试验研究
‘
＝ｌ
（８）
式 中 ，ａｏ为柱 塞泵 平均 流量 ，ｍ３／ｓ。 由式 （８）可 知 ，瞬 时流 量可 以分 成 常量 和变 量 两部 分 。试验 中采用 ７柱 塞泵 ，根 据 柱塞 泵 的流量
特性 ，取基 波和 一 次谐波 来逼 近 原 曲线 ，其瞬 时流 量 的傅立 叶级 数 展开表 达 式为
能器 、滤 波器 、可 调 节流 阀和各 种传 感 器等 。柱 塞 泵 的压 力脉 动是 由流量 脉动 的基 频及 其 谐波 组成 的 周 期信 号 ，它 的瞬 时流 量 Ｑ可 以表 达成 】
ｓｉｎ（￣ｂ＋Ｚｏｎ）ｓｉｎ（ ＋ ）
Ｚ０
Ｏ＝职 ｔａ】１ ∑ｓｉｎ［￣ｂ＋（ｉ—Ｏｅ］＝ＳＲ￣ｔａｎｙ
变 成 结构 振动 而被 消耗 ，流 体 压力 脉动 幅值 明显 减 小 ，压力 输 出 曲线更 加平 缓 。
衰
戋
变频调速 电机
、囊
ｌ 压力表 蓄
专矩转速 Ｉ ７、＼ ］ 能
传感器 ｌ
器
压１ 力 传 感
压 ｌ力 【传 Ｉ感
器
传 递 矩
Ｈ 为 厂
＝
成 结 构 （结 构振 动体 ）的振 动 ，消 除液 压 系统 中流 量和 压 力 的周 期性 波动 ，吸收 压力 冲击 ，降低 因液
压 振动 造 成 的机 械 振动 和 噪声 。
２ 试验 系统及滤波器工作原理
２．１ 试验 系 统 液 压 系统压 力 脉动 测试 系统 原理 如 图 ２所 示 ，包 括变 频调 速器 电机 、柱 塞 式变量 泵 、溢流 阀、蓄
关 键 词 ：泵源回路；压力脉动衰减；传递矩阵；耦合振动；试验研究
中图分 类号 ：Ｕ６６４．８４；ＴＢ５３
流致振动 流固耦合的区别
流致振动流固耦合的区别
流致振动和流固耦合是两个不同的概念，它们的区别如下：
- 流致振动：是指流体经过物体表面时，由于流体的不稳定流动引起物体的振动。
流致振动主要关注流体与结构之间的相互作用，其中流体的流动特性对结构的振动响应产生影响。
流致振动的研究重点是分析流体流动对结构振动的影响，并寻找控制和减小振动的方法。
- 流固耦合：是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
流固耦合的研究对象广泛，几乎可以应用于全部工程领域，比如航空工程，核工程、生物医学，化工设备，甚至食品加工等。
综上所述，流致振动和流固耦合的主要区别在于研究对象和研究重点的不同。
流致振动主要关注流体与结构之间的相互作用，以及如何控制和减小结构的振动响应。
而流固耦合则是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究
涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。
在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。
本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。
第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。
涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。
流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。
第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。
目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。
数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。
2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。
主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。
实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。
第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。
在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。
1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。
优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。
2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。
优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。
3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。
基于有限元方法的流固耦合分析研究
基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高，流固耦合问题研究越来越受到关注。
流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。
在流固耦合分析中，有限元方法成为最常用的分析方法之一。
本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。
一. 基本原理在流固耦合分析中，有限元方法起到了至关重要的作用。
在有限元方法应用中，流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。
但是，在将流场和固体变形结合起来进行研究时，需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。
这是一种非线性问题，需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分，然后用有限元模型离散处理每个小部分，通过简单的微分方程组成了均衡方程，然后使用数值法求解。
这种方法是一种数值分析方法，主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。
同时，它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。
二. 动力学中的应用在动力学中，有限元方法是一种广泛应用的方法，可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。
基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。
通过对其物理和机械属性的模拟，我们能够更好地了解物体的反应和行为。
流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构，如飞机飞行时飞行表面的变形，以及汽车发动机在运行时的振动和变形。
同时，它还可以用于研究核反应堆的材料和组件，以及火箭发动机的设计。
三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。
对于自动化工业而言，这种方法可以减少费用和时间，同时提高产品的质量。
例如，有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形，如汽车的碰撞试验，振动，加速度等。
有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工，同时还可用于气动设计和水动力学分析。
总结：流固耦合分析是一项复杂的工程技术，而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。
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1. 引言
在液压系统中，由于泵的结构原因产生的脉动体积流量沿管路传输时，遇到系统阻抗就转变成为压 力脉动[1]。为了衰减这种脉动，人们研究开发了品种繁多的各式液压滤波器[2]。
通过应用实践表明，各种流体滤波器的安装，对减小泵的负载阻抗，增加对液压系统脉动压力衰减 和抑制均具有明显的效果[3]。其中流–固耦合共振式流体滤波器结构振动式流体滤波器以其结构简单、 系统能量损失小、使用效果显著等优点值得重点关注[4]。它能将流体脉动能量转化为机械振动能量来控 制和衰减，在较宽的频段范围内具有良好使用要求。
和负载阻抗的影响。文献[3]给出 Ki 的计算公式为：
Ki
=
20 lg
a1′1 a11
+ +
a1′2Yz a12Yz
(s) (s)
(2)
此处，
a11 =
1 ω2
s2
+
2
ξ ω
s
+
1
、
a12 =(l2L2 + l3L3 ) s + ( R2L2 + R3L3 )
、
a1′1 = 1
、= a1′2
128µ
黏度/(Pa·s)
数值 7800
20 0.1 2.16 × 1011 0.3 890 1400 0.00314
参照表 1 滤波器设计及仿真分析的基本参数，我们分别对滤波器弹性结构振动体的薄板直径及厚度、 阻尼平衡孔直径及长度、静压平衡容腔体积等参数进行了仿真分析，确定了以上结构尺寸分别对耦合共 振频率的影响，结果如图 2~6 所示。
πDa4
+
4ρ πDa2
s La
、
Yz
(s)
=
iωV ρc2
，式中 ω
为流固耦合共振角频率，rad/s； ξ
为阻尼系数；R2、R3为等效流体管路单位长度的
液阻；l2、l3为等效流体管路单位长度的液感； Da 为等效钢直管直径， La 为等效钢直管长度。Yz (s) 为滤
波器负载导纳，式中c为声速。由上式可知，插入损失为 Ki 滤波器的结构尺寸、阻尼因子、边界条件等密 切相关[8]。
图 2 为薄板半径的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。图中结果表明，随着 薄板半径的减小，其自身质量减轻，振动耗能减少，因此耦合共振频率增大，对流体脉动衰减效果也有 所减弱。
图 3 为薄板厚度的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。图示表明，滤波器耦 合共振频率随着载流薄板厚度的增加而增大，同时对流体脉动的抑制效果也有所转好。
Figure 4. Relationship between diameter of damping hole and filter coupling resonance frequency 图 4. 阻尼孔直径与滤波器耦合共振频率的关系
DOI: 10.12677/met.2020ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ92003
30
机械工程与技术
Keywords
Fluid Pulsation, Filter, Fluid-Structure Coupling, Structural Parameters, Simulation, Test
流–固耦合共振式流体滤波器性能研究
罗雅云1，高 阳1，何志勇1,2 1长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南 长沙 2机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙
收稿日期：2020年2月19日；录用日期：2020年3月4日；发布日期：2020年3月11日
文章引用: 罗雅云, 高阳, 何志勇. 流–固耦合共振式流体滤波器性能研究[J]. 机械工程与技术, 2020, 9(2): 27-34. DOI: 10.12677/met.2020.92003
罗雅云 等
Received: Feb. 19th, 2020; accepted: Mar. 4th, 2020; published: Mar. 11th, 2020
Abstract
Aiming at the attenuation and suppression of the pulsating pressure in the hydraulic system, a fluid structure coupled resonant filter is designed in this paper. The influences of the structural parameters such as the diameter and thickness of the plate, the diameter and length of the damping balance hole and the volume of the hydrostatic balance cavity on the coupling resonance frequency of the filter are analyzed. The effect of the filter is tested on the test-bed. The maximum attenuation amplitude of the pressure pulsation can reach 44.8% when the coupling resonance occurs. When the difference between the basic frequency of the pressure pulsation of the pump and the natural vibration frequency of the vibrating body is 50 Hz, the attenuation amplitude of the pressure pulsation still reaches 28.6%. It shows that the filter has a good suppression effect on the pressure pulsation and has a good development and application value.
图 4 为阻尼孔直径的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。随着阻尼孔直径的 变小，在耦合共振频率也随之降低的同时，滤波器的衰减效果也显著减弱。这是由于阻尼孔直径过小时， 与静压平衡容腔的连通性能也显著降低，阻尼力增大，影响了滤波器的使用性能。
DOI: 10.12677/met.2020.92003
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机械工程与技术
罗雅云 等
Figure 1. Schematic diagram of fluid-solid coupling resonant fluid filter 图 1. 流–固耦合共振式流体滤波器原理图
3. 结构参数对滤波器性能的影响探讨
Study on the Performance of Fluid-Solid Coupling Resonant Filter
Yayun Luo1, Yang Gao1, Zhiyong He1,2 1School of Automobile and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha Hunan 2Hunan Provincial Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Technology for High-Performance Mechanical Equipment, Changsha Hunan
工作时，假设周期性脉动压力持续作用在结构振动体上，振动系统则按脉动压力做周期振动，所以 该流–固耦合振动系统可以看作是一个受迫振动系统[6]。不断作上下往复运动的受迫振动弹性结构振动 体不断消耗流体脉动能量，以此实现滤波效果。当流体系统的脉动激励频率与滤波器弹性结构振动体振 动系统的固有振动频率接近或一致时，结构振动体振动幅度达到最大，消耗的能量最大，因此衰减滤波 效果最好。但根据研究结果表明，结构振动式流体滤波器同样具有频率选择性，只在一定频率范围内适 用[7]。因此，如果在滤波器中设置不同结构尺寸的弹性结构振动体，就可以在很宽的频段内衰减不同振 动频率的流体脉动，实现广谱滤波效果。为研究方便，本文首先只对某一特定结构的弹性结构振动体振 动系统进行流固耦合研究。
摘要
针对液压系统脉动压力衰减和抑制问题，论文设计了一种流–固耦合共振式流体滤波器，分析了滤波器 弹性结构振动体的薄板直径及厚度、阻尼平衡孔直径及长度、静压平衡容腔体积等结构参数对滤波器耦 合共振频率的影响。在试验台上测试了滤波器的使用效果，耦合共振时压力脉动衰减幅度最大可达44.8%， 在泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率相差50 Hz的情况下，压力脉动衰减幅度仍达到了28.6%， 显示该滤波器对压力脉动良好的抑制效果，具备很好的开发应用价值。
罗雅云 等
Figure 5. Relationship between the length of damping hole and filter coupling resonance frequency 图 5. 阻尼孔长度与滤波器耦合共振频率的关系
Figure 6. Relationship between resonant cavity volume and filter coupling resonance frequency 图 6. 共振容腔体积与滤波器耦合共振频率的关系