Электронный научный журнал "Математическое моделирование, компьютерный и натурный эксперимент в естественных науках" http://mathmod.esrae.ru/ URL статьи: mathmod.esrae.ru/27-103 Ссылка для цитирования этой статьи:
Волошин А.Н., Попова А.А., Попова Е.В., Ратушный А.В. Моделирование продольных колебаний стенок кольцевого канала с вязкой жидкостью // Математическое моделирование, компьютерный и натурный эксперимент в естественных науках. 2019. №4 Выполнено при поддержке РФФИ грант № 19-01-00014а_
УДК 532.517.2:539.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СТЕНОК КОЛЬЦЕВОГО КАНАЛА С ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТЬЮ
Волошин А.Н.1, Попова А.А.2, Попова Е.В.3, Ратушный А.В.4 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Россия, Саратов, artem96voloshin@gmail.com Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Россия, Саратов, anay_p@bk.ru Саратовский национальный исследовательский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, Россия, Саратов, elizaveta.popova.97@bk.ru 4Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Россия, Саратов, sania.ratushnyy@gmail.com
MODELING OF THE WALLS LONGITUDINAL VIBRATIONS FOR AN ANNULAR CHANNEL WITH A VISCOUS FLUID
Voloshin A.N.1, Popova A.A2, Popova E.V.3, Ratushny A.V4 1Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Russia,
Saratov, artem96voloshin@gmail.com 2Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Russia, Saratov, anay_p@bk.ru 3Saratov State University, Russia, Saratov, elizaveta.popova.97@bk.ru 4Saratov State University, Russia, Saratov, sania.ratushnyy@gmail.com
Аннотация. В работе разработана математическая модель для исследования продольных колебаний упругозакрепленных стенок узкого кольцевого канала, заполненного пульсирующей вязкой жидкостью. Стенки канала представляют собой два коаксиальных цилиндра, которые на торцах имеют упругое закрепление и могут совершать продольные колебания. Движение жидкости в узком кольцевом канале рассмотрено как ползущее и происходит за счет пульсации давления на торце канала. Найдены законы распределения гидродинамических параметров слоя жидкости и законы движения стенок канала. Построены амплитудные частотные характеристики стенок узкого кольцевого канала и проведено моделирование их поведения.
Abstract. In this paper, a mathematical model has been developed to study the walls longitudinal vibrations of a narrow annular channel filled with a pulsating viscous fluid. The channel walls are formed by two rigid coaxial cylinders flexibly restrained at the channel ends. The fluid movement in a narrow annular channel is considered as creeping one due to the pressure pulsation at the channel end. The distribution laws of hydrodynamic parameters for the fluid annular layer and the channel walls movement laws were found. The amplitude frequency responses for the walls of a narrow annular channel were constructed and their behavior was simulated.
Исследование движение вязкой жидкости по каналам и трубам представляют теоретический и практический интерес. Одной из первых работ, исследующих нестационарное движение вязкой жидкости в жесткой трубе под действием переменного давления на ее торцах, является [1]. Современные проблемы взаимодействия элементов конструкций с жидкостью в осесимметричной постановке рассмотрены в монографии [2]. Исследования данных проблем для элементов, обладающих упругой податливостью, связаны с необходимостью постановки и решения динамических задач гидроупругости. Исследования взаимодействия жидкости в канале с его стенками, имеющими упругий подвес, выполнены в работах [3-7]. В [3,4] рассмотрены плоские задачи для каналов с параллельными стенками, а [5-7] рассмотрены продольные и поперечные колебания стенки узкого клиновидного канала. Изгибные колебания бесконечной балки, установленной на слое вязкой жидкости, изучены в [8]. В работе [9] рассматриваются изгибные колебания консольной балки, окруженной вязкой несжимаемой жидкостью. В работе [10] изучены изгибные колебания консольной балки в потоке вязкой жидкости, применительно к пьезоэлементам. В работах [11-13] исследованы задачи поперечных гидроупругих колебаний стенок канала, образованных параллельными прямоугольными или круговыми пластинами в плоской и осесимметричной постановках. Исследование продольных колебаний пластины в потоке вязкой жидкости в канале, образованном двумя параллельными жесткими стенками, проведено в [14]. Аналогичные исследования для трехслойных пластин со сжимаемым и несжимаемым заполнителем выполнены в [15-19].
Одно из первых исследований пульсирующего осесимметричного движения вязкой жидкости вдоль упругой трубки было проведено в [20]. Исследование пульсирующего движения вязкой жидкости в упругом кольцевом канале конечного размера выполнено в работах [21, 22]. В [23, 24] рассматриваются задачи динамики и устойчивости соосных цилиндрических оболочек, взаимодействующих с потоком идеальной и вязкой жидкости, находящейся между ними. Аналогичное исследование для цилиндрической оболочки выполнено в [25]. В [26] исследованы малые поперечные колебания прямолинейного упругого трубопровода с транспортируемой идеальной жидкостью. В работах [27, 28] изучены гидроупругие изгибные колебания
цилиндра, окруженного слоем вязкой жидкости, при вибрационных и ударных воздействиях применительно к двигателям внутреннего сгорания. Влияние взаимодействия вязкой жидкости с упругим ребристым корпусом поплавка на динамику поплавкового гироскопа исследовано в [29, 30]. Исследование взаимодействия пульсирующего потока вязкой жидкости с цилиндрической оболочкой, по которой он движется, выполнено в [31, 32]. Моделирование гидроупругих колебаний стенок каналов кольцевого и круглого сечений, образованных ребристыми оболочками проведено в [33-35]. В работах [36-38] изучены колебания поперечных стенок кольцевого канала, окруженного упругой средой. В работах [39-41] проведено моделирование распространения уединенных нелинейных волн деформации в стенках каналов кольцевого и круглого сечения, заполненных вязкой несжимаемой жидкостью. Однако, в указанных выше работах, не исследовалась проблема продольных колебаний упругозакрепленных стенок кольцевого канала, заполненного вязкой жидкостью, которая рассматривается в настоящей работе.
тх у + п У = С1)
т2 3^2 + п2 У 2 = Щ2Здесь т1, т2 массы стенок; п1, п2 коэффициенты жесткости упругого закрепления стенок; щ сила, действующая на внешнюю стенку; N сила, действующая на внутреннюю стенку; у1 = у1т^(юг), у2 = у2т/2(м) законы колебаний стенок, у1т, у2т амплитуды колебаний стенок. При этом далее полагаем, что у1)Я и у2т одного порядка, т.е. ут1у2т = 0(1) и у1)я <<5, У2т <<5.
Рис. 1. Узкий кольцевой канал с упругозакрепленными стенками
Возмущающие силы, действующие на наружную и внутреннюю стенки канала, определяются выражениями:
N = 2^(1 + ОД) | Чу
=Я=К2+5
йу, qn
(У + У &N
дг ду ,
г =Я1=Я2+5
N2 = 2П?2 | qy\\r=R йу
(У +дк "
дг ду у
Здесь касательное напряжение вязкой жидкости.
Принимая во внимание узость кольцевой щели, образованной цилиндрами, будем рассматривать движение вязкой жидкости в ней как ползущее [43]. В этом случае уравнения динамики вязкой жидкости в щели для осесимметричной задачи имеют вид:
Уг-гг дг
+ У,
д¥г 1 др (д 2УГ 1 дУг д 2Уг Уг1
= —— + у
+ —
._!--г---^
ду р дг \\ дг г дг ду г
дУу дг
+ У,
=---— + у
ду р ду
- + —
■ + ■
г дг ду
■ + + ^ = 0. дг г ду
где Уу, Уг проекции скорости движения жидкости, р плотность жидкости, V кинематический коэффициент вязкости,р давление.
Уравнения (3) дополним граничными условиями уравнений, в качестве которых выступают условия прилипания жидкости к стенкам канала и условия для давления на краях канала:
Vr - 0, Vy - Су^/А, при г - R2 +5, Vr - 0, Vy - с/у^/Л, при г - R2, (4) Р = Ро + Р*(М) при у - -I, р - Ро при у - I. Закон пульсации давления на левом краю канала будем считать заданным
в виде:
Р*(М) = pmfv (М), fv (М) = МП М,
где рт амплитуда пульсации.
(г - R2)|5, С = 2 у/1, Т — М, Х = у2т5<< = << 1, Vr = У2т®^,(6)
Vy - у2тмаис, р - р0 + руА(ощ~1Р, а - I/(2R2), р* - руЛсощ~хР*,
где у, X малые параметры.
Вставляя (6) в уравнения (3), (4), мы получим, в нулевом приближении по малым параметрам X, следующую безразмерную задачу динамики кольцевого слоя вязкой жидкости
дР = дР = дЦ дЦ^+ди
& а2 дС~ д£2 & + дС
и,= о, Ц. = - Ьт^1 при £ = 1, и,= 0, и,= - ^ при £ = о а у2т dt а Ст
Р - Р* при С - -1, Р - 0 при С = 1. Решая уравнения (7) с граничными условиями (8) получили:
и<-=а
^ у1т #1 С2 1+ 1 - Р* С_С 0 Р =1 [р*-(Р* ] (9)
У2т СТ СТ
В нулевом приближении по малому параметру у выражения для возмущающих сил (5) с учетом (6) принимают форму
N - лЯ2£
РУУ2тМа 5
дис дС С-1 = п2 ( 21ру 1 5 г у^м^г Ч СТ - у2тМСГ СТ
дис дС сс С-0 & Иру( ч 5 у^^Т ч СТ df2 - у 2т М """т" Ст ,
Подставляя (10) в (4) получили:
т.у 1 - Ку 1 + КУ2 + пу - -р*П?25.
Ш2У2 - КУ + КУ2 + П2У2 = Р*П12б ;
где К = 2лК2ур/8 .
Рассмотрим режим установившихся гармонических колебаний. В этом случае система обыкновенных дифференциальных уравнений (11) преобразуется в систему алгебраических уравнений. Решая эту систему находим, что:
■А1(ю) sin(юt + (р1 (ю)),
У2 =—— А2(ю^тю + (2(ю)),
где обозначено:
А1(а) = п
(п2 -т2ю2)2 + (2Кю )2
А2(ю) = п2
((п1 -тха )(п2 -т2ю )) + (Кю(п2 -п1 + ю (т1 -т2)))
(п1 - т1ю2)2 + (2 Кю )2
((п1 -т1ю2)(п2 -т2ю2))2 + (Кю(п2 -п1 +ю2(т1 -т2)))2
(1(ю) = arctg (2(ю) = аг^
(п2 -т2ю )Кю(п1 -п2 +ю (т2 -т1)) - 2Кю(п1 -т1ю )(п2 -т2ю ) У (п2 -т2ю2)(п1 -т1ю2)(п2 -т2ю2) + 2(Кю)2(п1 -п2 +ю2(т2 -т1))
^(т1ю2 - п1)Кю(п1 - п2 +ю2(т2 - т1)) - 2Кю(п1 - т1ю2)(п2 - т2ю2)^ У (т1ю2 -п1)(п1 -т1ю2)(п2 - т2ю2) + 2(Кю)2(п1 - п2 +ю2(т2 -т1))
Здесь А,.(ю) АЧХ ьой стенки канала, ((ю) ФЧХ ьой стенки канала, , = 1,2.
Используя построенную модель, проведем моделирование поведения АЧХ стенок кольцевого канала со следующими параметрами: I = 0,08 м; R2/l = 3,12510-1 ; R1/l = 31,875-10-2 ; 80/1 = 6,25^10-3 ; т1 = 0,6 кг; п1 = 5105 кг/с2,
т2 = 0,2 кг; п2 = 2^10 кг/с. При расчетах были рассмотрены два варианта
вязких жидкостей с параметрами: а) р = 1,84-10 кг/м ; V = 2,5-10" м/с
(приборная жидкость); б) р = 840-10 кг/м; V = 210" м/с (гидравлическое масло АМГ-10). Результаты вычислений представлены на рис. 2, рис. 3.
Проведенные расчеты по разработанной модели показали, взаимовлияние колебаний стенок канала друг на друга за счет вязкой жидкости в нем. Данный факт проявляется в наложении резонансных частот стенок на АЧХ каждой из них. В результате, на построенных АЧХ, наблюдается наличие двух резонансных частот колебаний каждой из стенок. Кроме того, вязкость жидкости обуславливает конечность амплитуд колебаний стенок на резонансных частотах. С увеличением вязкости наблюдается существенное падение амплитуд колебаний на собственной частоте колебания каждой из стенок.
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
ю, рад/с
Рис. 2. АЧХ 1-ой стенки канала для случая приборной жидкости:
Рис.3. АЧХ 1-ой стенки канала для случая гидравлического масла АМГ-10:
Таким образом, представленная математическая модель может быть использована для исследования амплитуд продольных колебаний упругозакрепленных стенок узкого кольцевого канала, по которому движется пульсирующий поток вязкой жидкости. Полученные выражения для амплитудно-частотных характеристик стенок канала и характеристик фазового отклика позволяют определять резонансные частоты и амплитуды колебаний на них. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для анализа причин возникновения продольных вибраций в элементах теплообменных систем, гидропривода, систем подачи топлива и смазки и др., вызванных пульсацией давления в вязкой жидкости.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ грант №19-01-00014а