Page 250 - 《振动工程学报》2026年第5期

1454 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

得出，管体不同位置处的内/外流体 Φ 值沿管轴向呈 ∆f in (−0.009,0.010,−0.076)
1.0 ∆f ex (1.734,0.127,−0.021) =4.4%
现 显 著 的 分 段 变 化 趋 势 。 在 靠 近 固 定端 l/L=0.06 l/L=0.96 ∆f in (0.006,0.006,−0.063)
0.9 l/L=0.86 ∆f ex (1.083,0.070,0.080) =5.8%
处，Φ 达到峰值 56.9%。对应相云图显示此处弹性管 0.8 ∆f in (0.009,0.002,0.008)
l/L=0.76
∆f ex (1.606,0.065,−0.866) =0.7%
内液相与管壁的接触面积最大，局部压力梯度显著， 0.7 ∆f in (−0.012,0.002,0.134)
l/L=0.66 ∆f ex (1.531,0.043,−1.491) =6.3%
此时内流力占据主导地位，而外流力的贡献相对较 0.6 l/L=0.56 ∆f in (−0.108,0.013,0.014) =5.2%
∆f ex (0.993,0.037,−1.872)
∆f in (0.001,0.003,−0.019)
小 。在 l/L∈(0.06, 0.26) 管 段 ， Φ 值 快 速 下 降 至 7%， l / L 0.5 l/L=0.46 ∆f ex (1.451,−0.007,−0.248) =1.3%
0.4 ∆f in (−0.004,0.001,−0.001)
相云图显示气体逐渐占据更大的空间，剪切效应减 0.3 l/L=0.26 l/L=0.36 ∆f ex (2.756,−0.129,−1.490) =0.13%
∆f in (−0.059,0.009,0.090)
l/L=0.16 ∆f ex (1.403,−0.087,0.205) =7.6%
弱，压力梯度显著降低，内流力贡献迅速衰减，同时 0.2 l/L=0.06 ∆f ex (2.279,−0.129,1.981) =6.8%
∆f in (−0.184,0.034,0.087)
∆f in (−0.004,0.003,0.015)
外流力的相对占比增加。随着流动进一步发展，在 0.1 ∆f ex (1.161,−0.055,−0.006) =1.3%
0 ∆f in _total =3.9% −1.5 −2.0
∆f ex _total
l/L∈(0.26, 0.96) 区 间 内 ， Φ 值 呈 现 明 显 的 周 期 性 波 0 2 4 6 8 0 −0.5 −1.0
动，在 l/L=0.46，0.76，0.96 处分别出现局部极值。段 d IL / D 10 d CF / D
塞流动的气液相间歇性和气液界面的动态变化是导 (a) ε g=0.9时，内/外流体力瞬时力比与对应相云图
(a) ε g =0.9, the instantaneous forces ratio and contour of phases
致该区间 Φ 值周期性波动的主要原因，Φ 值的分布 related to internal flow and external current
规律充分体现了弹性管中气液段塞流的复杂动力学 0.08
方差 时均值
特性。沿管轴向内/外流体 Φ 值的时均值与方差如
0.04
图 8(c) 所示，可以观察到，时均值呈现出整体稳定但
有小幅波动的变化趋势，且方差全程低于时均值，这 0
0.06 0.26 0.46 0.66 0.86
种局部波动与段塞流的间歇性作用密切相关。 l / L
当 ε g =0.7 时 ， 如 图 8(b) 所 示 ， Φ 值 在 l/L∈(0.06, (b) ε g=0.9时，内/外流体力比值时均值与方差
(b) ε g =0.9, the time-average values and variances of the
0.26) 管段维持较高水平。此区间范围内液体沿管壁 hydrodynamic forces related to internal flow and
external current
分布的面积较大，形成局部滞留效应 [36] ，从而使得
Φ 值较大。此处弹性管的旋涡脱落模式主要以“2S” 图 9 沿管轴向内流与外流作用力瞬时比值、相云图、时均
值及方差
型脱落模式为主。随后在 l/L=0.36 管段，Φ 值骤降
Fig. 9 Instantaneous ratio, contour of phases, time-average
至 1.8%，由相云图可知此时管内含气量大，Φ 值因液
values and variances of the hydrodynamic forces related
体层逐渐缩小而减弱。在 l/L∈(0.46, 0.56) 管段，Φ 值
to internal flow and external current along the pipe axis
升至 6.2% 和 8.3%，这一阶段液体局部聚集形成液层，
与管壁的接触面积增加，内流力有所增强。此处尾 Φ 的最大值往往出现在固定端附近，l/L∈(0.06, 0.26)；
涡区泻涡发放模式相比于管端处更为混乱，尾流场 受外流拖曳力作用，管轴中段附近 (l/L=0.56) 普遍出
呈现出不规则分布的特征。而后在 l/L∈(0.66, 0.96) 现 Φ 的极大值，这一变化过程体现了气液两相内流
管段，Φ 值变化呈现出先减小、后回升、最终趋于稳 对弹性管振动特性复杂且多层次的调制作用。此
定的演变规律。对应此处尾流区域的泻涡发放过程 外，随着内流气体体积分数的增加，内流体力对弹性
趋于有序化，表现出较强的周期性特征。沿管轴向 管整体动力学响应的贡献显著减弱。

的内/外流体力比值的时均值和方差如图 8(d) 所示，
2.3 内流力时频分析
在靠近固定端区域，时均值和方差表现出轻微波动，
然而，在整个管跨范围内，内/外流体力的时均值和 由于液柱和气柱的交替出现，弹性管内流体会
方差均呈现相对平稳的变化趋势，波动幅度较小，表 出现间歇性流量变化，因此管体内表面压力与剪切
明高气相占比条件下两相流的动力学行为趋于稳定。 力也随之呈规律性的变化，如图 10~14 中 (a)、(b) 所
如图 9(a) 所示，在 ε g =0.9 工况下，Φ 在 l/L∈(0.06, 示（弹性管横流向（CF）和顺流向（IL）的内流力时程
0.26) 管段从 1.3% 升至 7.6%，随后快速下降至 0.13%； 曲线）。为分析由段塞内流引起力幅值变化的时/频
此后 Φ 值不断波动，在 l/L=0.66 出现局部峰值 6.3%， 域信息，在此，本节选取 V uni =1.0 m/s、5 个不同气液比
在 l/L=0.76 出现局部谷值 0.7%，但整体波动幅度较 工况的内流力数据，借助 CHEN 等 [37] 提出的一种基
小，此工况下 10 个检测段 Φ 的平均值仅为 3.9%。这 于傅里叶变换和带通滤波技术的经验模态分解方法
一变化规律表明高气液比工况下，低密度的气相会 (FB-EMD) 将时域过程进行模态分解；随后，通过构
显著降低内流的流动阻力，因此内流体力对弹性管 建时间-频率的希尔伯特谱 (TFE-HS) 深入分析中间
的整体动力学响应贡献明显降低。如图 9(b) 所示， 管段处内流力随时间的演变过程，详见图 10~14 中
时 均 值 和 方 差在 l/L=0.06 时 分 别 达 到 极 大 值 0.055 (c)、(d) 所示，其中颜色柱代表谱密度的量化值。
和 0.028，随后呈波动下降趋势。 图 10(a)、(b) 展示了 ε g =0.1 时弹性管中间管段内
综合对比图 7~9 可知，随着内流含气量的增加， 壁在不同时刻的横流向、顺流向力的时程曲线。在