Page 251 - 《振动工程学报》2026年第5期

第 5 期 麦耘翔，等：外流与段塞内流联合作用下弹性管流致振动特性研究 1455

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横流向内流力 / N −1 1 0 顺流向内流力 / N −1 1 0

−2
2 4 6 8 10 12 14 −2 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(a) ε g =0.1时，横流向内流力时程曲线 (b) ε g =0.1时，顺流向内流力时程曲线
(a) ε g=0.1, the time-history curve of flow forces in CF direction (b) ε g=0.1, the time-history curve of flow forces in IL direction

20 20
1.0 15 0.8
15
频率 / Hz 10 5 0.5 频率 / Hz 10 5 0.6
0.4
0.2
0 0 0 0
2 4 6 8 10 12 14 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(c) ε g =0.1时，横流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图 (d) ε g =0.1时，顺流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图
(c) ε g=0.1, the TFE Hilbert spectra in CF direction (d) ε g=0.1, the TFE Hilbert spectra in IL direction

图 10 弹性管中段位置处内流力时程曲线及其时间-频率的希尔伯特谱密度分布图
Fig. 10 Time-history curves of flow forces at the middle segment and TFE Hilbert spectra related to the flexible pipe

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横流向内流力 / N −1 1 0 顺流向内流力 / N −1 0

−2
2 4 6 8 10 12 14 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(a) ε g =0.3时，横流向内流力时程曲线 (b) ε g =0.3时，顺流向内流力时程曲线
(a) ε g=0.3, the time-history curve of flow forces in CF direction (b) ε g=0.3, the time-history curve of flow forces in IL direction
20 20 0.5
0.7
15 0.6 15 0.4
频率 / Hz 10 0.4 频率 / Hz 10 0.3
0.5
0.3
0.2
0.2
5
0.1 5 0.1
0 0 0 0
2 4 6 8 10 12 14 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(c) ε g =0.3时，横流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图 (d) ε g =0.3时，顺流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图
(c) ε g=0.3, the TFE Hilbert spectra in CF direction (d) ε g=0.3, the TFE Hilbert spectra in IL direction

图 11 弹性管中段位置处内流力时程曲线及其时间-频率的希尔伯特谱密度分布图
Fig. 11 Time-history curves of flow forces at the middle segment and TFE Hilbert spectra related to the flexible pipe
t∈(2 s, 6 s) 时段，力的幅值呈现出显著的短周期性和 一段时间和距离之后，气液处于充分混合状态所致，
隐现的长周期群性特征。其短周期性主要是外流诱 参见图 7(a) 所示。图 10(c) 展示了与图 10(a) 相对应

发的涡激振动所致的局部管段往复变形，导致内部 的时间-频率的希尔伯特谱密度特性，可以观察到在
流体力方向发生改变而引起的，这与 CHEN 等 [38] 观 t∈(2 s, 9 s) 时段，谱密度主要集中在 14.5 Hz 附近，这
察到的现象一致。长周期群性特征则是在气液交替 一频率接近 6 阶振动模态固有频率 13.6 Hz，表明在
周期（2 s 内），力幅值的显著周期性变化。其在某些 此时段 6 阶模态对应的流体力权重占据主导地位；
时段内显著增强，而在其他时段则减小，反映了不同 在 t∈(9 s, 10 s) 时 段 ， 可 以 明 显 观 察 到 显 性 频 率 由
相的流动特性对振动强度的影响。内部流体力频率 14.5 Hz 向 16.9 Hz（7 阶模态的固有频率）跳跃，表明
与对应管段的振动频率是一致的，基于对前者的频 管体的振动特性发生了由 6 阶模态主导转为 7 阶模
率分析便可以得到振动模态信息；长周期群性是由 态主导的切换。其后在 t∈(10 s, 14 s) 时段，7 阶主振
气液两相规律地交替出现所引起的，其不显著的原 模态流体力权重显著增强，表明气液两相流动的特
因主要是混合流中含气量不高，参见图 7(a) 所示，不 征频率与弹性管系统的 7 阶固有频率发生了强耦
存在内流力接近于零（纯气相流动）的时段。至 10 s 合，这种耦合导致了能量在特定模态上的集中，从而
以后横流向内流力幅值变化变小，主要是由于流动 增强了该模态的振动响应。在图 10(d) 中 t∈(2 s, 6.3 s)