供水系统动态特性分析与声辐射研究
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摘要
本文研究的内容为天津市教委基金项目“充液管道系统噪声控制研究”的一部分，该项目及本论文是在高层楼供水系统减振降噪研究基础上，对管道结构受激振动导致声辐射的过程在理论上进行了深入研究。论文针对管系中最常见的直管单元，对其动态性能进行了探讨，研究了直管作为壳模型的振动特性，应用有限元分析软件ANSYS对不同管径的直管进行了模态分析，结合有限元谐响应分析的结果，应用边界元分析软件SYSNOISE仿真了相关的声辐射特性，摸索出了一条有限元结合边界元进行结构低噪声设计的方法，该方法可以进一步扩展到整个管系的低噪声设计，也可以为其他机械产品的低噪声设计所借鉴。本文的主要工作如下：
针对高层楼住宅供水系统噪声污染问题，运用振动力学，流体力学，有限元数值分析方法，声学边界元数值分析方法，计算机仿真等相关理论，对管道结构动态性能进行理论分析，从理论上探索了由管内液体、空气声场、人所组成系统的振动辐射声的机理。
研究了充液管道系统振动与其激励关系。从理论方面研究了引发管道振动的主要原因是管内流体的压力脉动。阐述了反应充液圆柱壳管道系统振动机理的运动微分方程及其频散方程。
应用有限元技术及其分析软件，对圆柱壳模型直管结构进行了模态分析得到不同半径直管结构的模态参数，并利用相关的谐响应分析技术进行了相应的仿真分析。
在管系振动声辐射的过程中引入了边界元法，从而建立了管系振动响应和振动响应声辐射之间的关系。在振动实模态的基础上导出了圆柱壳的模态声辐射，从而建立了声辐射和管道系统固有特性之间的关系，为隔振降噪元件的设计提供了可靠的理论依据。
探索了应用Pro／E、ANSYS和SYSNOISE软件对充液管道系统进行低噪声的设计。为管道系统噪声进行优化设计做了初步的理论探索和仿真上的实践。
最后本文还系统地总结了充液管道减振降噪的控制措施。
Based on the research of vibration and noise reduction of the water system in high building,this paper carries on an profound investigation in the cylindrical shell structural acoustic radiation performance caused by the liquid motivation.Aim at the straight pipe widely used in the water system,the paper investigates the dynamic performance of it,and by the software ANSYS, the modal analysis of the strait pipe in water system is carried out.With the harmonic response result of the strait pipe element,the acoustic radiation mechanism is emulated by the method of boundary element method software SYSNOISE.A low noise design combining the finite element method and boundary element method is proposed.This method can not only be applied in the low noise design of the whole water system,but also be referenced by the low noise design of the other machine.The main contents of the paper are as follow:
Using mechanic vibration,hydromechanical,finite element method(FEM)and boundary element method(BEM),compter emulation iso,the pipe structure dynamic performance is analysed,and the structural acoustic radiation mechanics in light fluid of the system composed by fluid in the pipe ,light fluid,human is researched.
The contact between the pipes' structural vibration and the motivation is researched by discussing pressure pulsation which is usually the main reason of pipeline's vibration.The motive differential equations and the dispersion equation of the fluid-filled cylindrical shell model pipe structure are derived.
Based on the use of the finite element method and the correspording finite element software,the modal analysis and harmonic response of the cylindrical shell is carried out.
During the process researching the pipe structural acoustic radiation.the bondary element method ,which creat the connection between the vibration response and the acoustic radiation of the pipe system, is introduced.Based on the real mode theory,the structural modal acoustic radiation is derived ,and as a result the contact between the structural acoustic radiation and the natural characteristic of the pipe system which provide a reliable theory bases for the pipe system design in aspect of the vibration and noise reduction.
With the application of the software as Pro/E, ANSYS, SYSNOISE,a low noise design method of the fluid-filled pipe system is proposed,and the corresponding emulation is executed .In the end,the paper systematically generalize the measure of the vabriation and noise reduction of the pipe system.
针对高层楼住宅供水系统噪声污染问题，运用振动力学，流体力学，有限元数值分析方法，声学边界元数值分析方法，计算机仿真等相关理论，对管道结构动态性能进行理论分析，从理论上探索了由管内液体、空气声场、人所组成系统的振动辐射声的机理。
研究了充液管道系统振动与其激励关系。从理论方面研究了引发管道振动的主要原因是管内流体的压力脉动。阐述了反应充液圆柱壳管道系统振动机理的运动微分方程及其频散方程。
应用有限元技术及其分析软件，对圆柱壳模型直管结构进行了模态分析得到不同半径直管结构的模态参数，并利用相关的谐响应分析技术进行了相应的仿真分析。
在管系振动声辐射的过程中引入了边界元法，从而建立了管系振动响应和振动响应声辐射之间的关系。在振动实模态的基础上导出了圆柱壳的模态声辐射，从而建立了声辐射和管道系统固有特性之间的关系，为隔振降噪元件的设计提供了可靠的理论依据。
探索了应用Pro／E、ANSYS和SYSNOISE软件对充液管道系统进行低噪声的设计。为管道系统噪声进行优化设计做了初步的理论探索和仿真上的实践。
最后本文还系统地总结了充液管道减振降噪的控制措施。
Based on the research of vibration and noise reduction of the water system in high building,this paper carries on an profound investigation in the cylindrical shell structural acoustic radiation performance caused by the liquid motivation.Aim at the straight pipe widely used in the water system,the paper investigates the dynamic performance of it,and by the software ANSYS, the modal analysis of the strait pipe in water system is carried out.With the harmonic response result of the strait pipe element,the acoustic radiation mechanism is emulated by the method of boundary element method software SYSNOISE.A low noise design combining the finite element method and boundary element method is proposed.This method can not only be applied in the low noise design of the whole water system,but also be referenced by the low noise design of the other machine.The main contents of the paper are as follow:
Using mechanic vibration,hydromechanical,finite element method(FEM)and boundary element method(BEM),compter emulation iso,the pipe structure dynamic performance is analysed,and the structural acoustic radiation mechanics in light fluid of the system composed by fluid in the pipe ,light fluid,human is researched.
The contact between the pipes' structural vibration and the motivation is researched by discussing pressure pulsation which is usually the main reason of pipeline's vibration.The motive differential equations and the dispersion equation of the fluid-filled cylindrical shell model pipe structure are derived.
Based on the use of the finite element method and the correspording finite element software,the modal analysis and harmonic response of the cylindrical shell is carried out.
During the process researching the pipe structural acoustic radiation.the bondary element method ,which creat the connection between the vibration response and the acoustic radiation of the pipe system, is introduced.Based on the real mode theory,the structural modal acoustic radiation is derived ,and as a result the contact between the structural acoustic radiation and the natural characteristic of the pipe system which provide a reliable theory bases for the pipe system design in aspect of the vibration and noise reduction.
With the application of the software as Pro/E, ANSYS, SYSNOISE,a low noise design method of the fluid-filled pipe system is proposed,and the corresponding emulation is executed .In the end,the paper systematically generalize the measure of the vabriation and noise reduction of the pipe system.
引文
1．肖建明，郑凡颖，刘瑛琳．居民楼内水泵噪声污染控制．噪声与控制，1977，(4)．
2．吕玉恒．高层住宅水泵房噪声与振动治理．工厂建设与设计，1996(5)．
3．钱继春．高层供水系统减振降噪研究．天津：天津轻工业学院，2002．
4．沈荣瀛，胡剑凌．充液管道振动研究．噪声与振动控制，1996，(5)．
5. M.J.Lightill.Proc.Roy. Soc, 1952,Vol.211,pp564-587.
6. R.J.Gibert.These dedoctorat, 1974,Paris.
7. Asheley H.and Haviland G.bending Viberations of a Pipeline Containing Flowing Fluid J.Apple.Mech. 17,1950,229-232.
8. Housner G..W Bending Vibrations of a Pipeline Containing Flowing Fluid J.Apple.Mech. 19,1952: 205-208.
9. Haroldl Dodds,Jr. and Hang L.Runyan Effect of Highvelocity Fluid Flow out the Bending Viberations and Static Diveregence of a simply supported pipe NDSA-targley,1965, L-4408.
10. Benjamin TB.Dynamics of A Systerm of Articulated Pipes Conveying Fluid,Ⅰ: theory.In: Proceedings of the Royal Society(london),1961; A261: 457-486.
11. Paidoussis MP, Laithier BE.Dynamic of Timoshenko Benms Conveying Fluid.J.of Mechanical Science,1976,18: 210-220.
12. R.H. Long.Experimental and Theoretical Study of Transverse Vibration of a Tube Containing Flowing Fluid.J.Appl.Mech.,1995,22(6): 65-68.
13. R.W.Grogory and M.P.Paidoussis,Unstable Oscillation of Tubular Cantilevers Conveying Fluid-Ⅰ Theoty, Pro.Roy.Soc.,London,ser.A293(5)(1966), 512-527.
14. J.L. Hill and C.P. Swanson. Effects of lumped masses or the Stability of Fluid Conveying Tubes.J.Appl.Mech.,37(4)(1970),494-497.
15．酒井敏之等．关于往复式压缩机管道系统脉动的研究，Bulletin of JSME,1973,16．
16．山田荣，野田桂一郎．配管系压力脉动计算流体力学．通卷110号昭和49年10月，1974．10．
17．叶田真治，毛利泰裕等．日本机械工程学会论文集，42卷364号，昭和51年12月，1976。
18．藤川猛等．日本机械学会论文集41卷343号，1975．
19. Benson R.S and Vcer A.S.Some Recent Reseaced in Gas Dynamic Modeling of Multiple Single Stage Reciprocating Compressor Systems,Purdue Compressor Technology Conference,1972.
20. Maclaren J.E Advances in Numerical Methods to Solve the Equations Governing
Unsteady Gas Flow in Reciprocating Compressor Systems.Purdue Compressor Technology conference, 1976.
21. Fuller, C.R.& Fathy, F.J.1982 Chanracteristic of Wave Propagation and Energy Distrbution in Cylindrical Elastic Shells Filled With Fluid.ASME Journal of Sound and Viberation 81 (4): 501-518.
22. Hatied,F.J.Wiggert,D.C.& Qtwell,R.S.1982a Fluid Structure Inteeraction in Piping by Component Synthesis.ASME Journal of Fluids Engineering 104, 318-325.
23. Fuller, C.R.&Fahy, F.J."Characteristics of wave propagation and energy distributions in cylindrical elastic shells filled with fluid".Journal of Sound and Vibration(1982)81, 501-518.
24. Pvinc,G."Vibrational energy flow in elastic circular cylindrical shells".Journal of sound and vibration(1990) 142, 293-310
25. Pvinc,G.."Vibraacoustical energy flow in elastic circular cylindrical shells".Journal of sound and vibration(1992) 154, 411-429.
26. Fuller, C.R."The effects of wall discontinuities on the propagation of flexural waves in cylindrical shells", Journal of Sound and Vibration(1981)75, 207-228.
27. Fuller, C.R."Radial impulsive excitation of infinite fluid filled elasticcylindrical shells". Journal of Sound and Vibration(1994) 177, 11-422.
28. Langley, R.S."Wave motion and energy flow in cylindrical 1 shells".Journal of Sound and Vibration(1994) 169,29-42.
29. CHEN,S.S."vibration and stability of a uniformly curved tube conveying fluid".Journal of the Acoustical Society of America( 1972)51, 223-232.
30. MISRA,A.K.,PAIDOUSSIS,M.R&VAN,K.S."On dynamics of curved pipes transporting fluid".I.Inextensible theory, Ⅱ.Extensible theory.Journal of Fluids and Structures(1988)2,211-261.
31. DUPUIS,C.&ROUSSELET, J."The equations of motion of curved pipes conveying fluid".Journal of Sound and Vibration(1992) 153, 473-489.
32. EISENBERG, N.A."Propagation of sound through a variable-area duct with a steady compressible flow".Journal of the Acoustical Society of America(1971)49,169-175
33. Guo,Y.RFluid-loading effects on waves on conical shells.Journal of the acoustical Society of America(1995)97(2)
34. Gendy, A.S.&Saleeb,A.F."Vibration analysis of coupled extensional/flexural/torsional modes of curved beam with arbitrary thin-walled sections".Journal of Sound and vibration(1994) 174, 261-274.
35. Everstine G..C. Dynamic Analysis Fluid-filled Piping Systems Using Finite Element Techniques. ASME Journal of Pressure Vesssl Technology, 1986, Vol. 108,pp57-61.
36. Jamnia M.A.,Jacjson J.E. Preliminary Study for Finite Element Analysis of Two-Dimendional Fluid-soild Interaction.In Proceeding of the 5th International Conference on Pressure Surges,BHRA,Hanover, Germany, September1986, pp51-62.
37. Junger.M.C.,Radiation Loading of Cylindrical and Spherical Surfaces,J.Acoust Soc.Am, 1952,24, 288-289
38. Manning J.E.and MaidanikG.,Radiation Propertios of Cylindrical Shell.J. Acoust. Soc.Am. 1964,36(9): 1691-1698
39. Junger M.C. and Feit D.Sound,Structure and Their Interaction. Cambridge, MA:M.I.T.Press, 1979
40. RR.Stepanishen,Radiated power and radiation loading of cylindrical surfaces with nonuniform velocity distributions.j.Acoust.Soc.Am., 1978,63(2), 329-338
41．何秀华．水泵叶频压力脉动形成的激励探讨．机械科学与技术，1996(12)．
42．何秀华．水泵压力脉动的类型研究．排灌机械，1996(4)．
43．李培滋．泵源振动特性的实验研究．液压与气动，1986(3)．
44．宫嘉成，郑炜等．压力脉动的时间序列谱估计．天津大学学报，1992(4)．
45．赵永凯，陈一鸣．管道液流的压力共振．应用力学学报，1995，12(1)．
46．焦秀稳，曹玉平，石晓庆等．传输管网流体脉动研究．海洋学报，1996，18(6)．
47．盛敬超．一种管道振动流模态分析法．浙江大学学报，1987(4)．
48．张智勇，沈荣瀛，王强．充液管道系统的模态分析．固体力学学报，2001，22(2)．
49．闫祥安，郑炜，张青等．往复泵输液管道结构振动有限元分析．机械工程学包，1999，35(6)．
50．焦宗夏，华清，于凯等。传输管道流固耦合振动的模态分析。中国航空学会控制与应用第八届学术年会论文集，1998，341．351．
51．戴大农，王瑁成，杜庆华．流固耦合系统动力响应的模态分析理论．固体力学学报，1990，11(4)．
52．梁波，唐家祥．输液管道动力特性与动力稳定性的有限元分析．固体力学学报，1993，14(2)．
53．王茹．用有限元法分析管道在空间内的固液耦合振动．系统工程与电子技术，1993(11)．
54．陈正翔，张维衡．简单输液管道的稳定性分析．振动工程学报，1998，11(1)．
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19(11)．
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48．张智勇，沈荣瀛，王强．充液管道系统的模态分析．固体力学学报，2001，22(2)．
49．闫祥安，郑炜，张青等．往复泵输液管道结构振动有限元分析．机械工程学包，1999，35(6)．
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