輸流管道振動的被動控制研究

丁虎

上海大學 力學與工程科學學院，上海 200444

輸流管道是普遍存在于各種系統中的基礎性部件，例如土木工程中的輸水管道、機械工程中的輸油管道，以及大型機械系統(如飛行器)中的液壓控制管道。圖1展示了飛行器中的液壓管道布局及元件[1]。內部流體的高流速可能會使輸流管道失去穩定性[2]，外部環境的激勵也會引起管道的振動[3-4]，造成難以估量的損失，甚至引發重大安全事故[5]。因此，理解輸流管道的振動機理、實現對振動的控制，一直以來都有著廣泛的工程需求。

圖1 飛行器中的液壓控制管道：(a)飛行器中液壓控制管道的分布； (b) 液壓管道

在振動控制理論中，掌握振動規律是實現振動控制的前提。盡管工程中對管道振動控制的需求急迫，但是大量的研究主要聚焦于輸流管道的振動特征。對輸流管道振動特征的研究包括如下難點：①輸流管道(包括宏觀的、微觀的)外形、材料、工況多種多樣，難以形成統一的理論；②流固耦合行為難以厘清；③難以建立輸流管道動力學模型，精確描述管道的約束[6]；④流體運動的時變非周期性、管道大幅度振動中的非線性等特征。這些困難導致輸流管道振動機理的研究吸引了大量的注意力，而振動控制研究的進展相對緩慢。

工程中的輸流管道數量多且管道長度跨度大，這導致管道共振頻率的頻帶范圍較寬。機械系統中的輸流管道結構緊湊，安裝空間狹小。另外，廣泛應用于大型機械系統的液壓控制管道細長，造成內部流體承受高壓、高流速。……