Page 253 - 《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 1457

1.0 1.0
横流向内流力 / N −0.5 0 顺流向内流力 / N −0.5 0
0.5
0.5

−1.0
2 4 6 8 10 12 14 −1.0 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(a) ε g =0.9时，横流向内流力时程曲线 (b) ε g =0.9时，顺流向内流力时程曲线
(a) ε g=0.9, the time-history curve of flow forces in CF direction (b) ε g=0.9, the time-history curve of flow forces in IL direction
20 20
0.15 0.10
15 0.10 15 0.08
频率 / Hz 10 5 0.05 频率 / Hz 10 5 0.06
0.04
0
0 0 0 0.02
2 4 6 8 10 12 14 2 4 6 8 10 12 14
时间 / s 时间 / s
(c) ε g =0.9时，横流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图 (d) ε g =0.9时，顺流向时间-频率的希尔伯特谱密度分布图
(c) ε g=0.9, the TFE Hilbert spectra in CF direction (d) ε g=0.9, the TFE Hilbert spectra in IL direction

图 14 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. 14 Time-history curves of flow forces at the middle segment and TFE Hilbert spectra related to the flexible pipe
的 6、7 阶固有模态频率存在显著差异，这种差异导 周期“群性”特征且更为显著，主要是由于气体体积
致泻涡脱落虽能对顺流向振动产生一定激励，但无 分数的增加，纯气相内流力贡献非常小，从而使得气
法使弹性管锁定于单一的 6 或 7 阶振动模态。 相流经的时段流体力的波动幅度非常小；即使在液
ε g =0.5 时弹性管内流所致横流向、顺流向力的时 相流经的时段，因为气液混合的原因，参见图 6(c) 所
程曲线如图 12(a) 和 (b) 所示。可以非常清晰地观察 示，液相对管壁的冲击作用也会减弱，其波动幅度也
到力的幅值的长周期“群性”特征，在 12 s 内可以捕 与 ε g ≤0.5 工况下的对应值相比有所减小。横流向对
捉到 6 个显著的力波动长周期变化趋势。与 ε g =0.3 应时间-频率的希尔伯特谱密度特性如图 13(c) 所示，
时相比，此工况下气体和液体的体积分数相当，段塞 在 t∈(2 s, 8 s) 时 段 ， 可 以 观 察 到 两 个 显 著 的 频 带 ：
现象更为清晰，这意味着每个周期内弹性管内部的 11.2 Hz 和 14.5 Hz，分别对应弹性管 5 阶和 6 阶固有
质量和动量波动具有高度的规律性，使得流体力完 模态。这一现象表明，在此时段内弹性管呈现双模
全呈现出周期性的波动特征。横流向对应的时间- 态振动特性，其中 5 阶模态对应的流体力权重明显
频率的希尔伯特谱密度特性如图 12(c) 所示，在 t∈ 高于 6 阶模态的对应值。在 t∈(8 s, 14 s) 时段内，虽
(2 s, 11.5 s) 时段，频率为 11.2 Hz 的 5 阶模态占主导； 然 5 阶模态对应的流体力由主导降至次级地位，但
频率为 14.5 Hz 的 6 阶次级模态自 t=4 s 开始持续增 其对应的频带仍清晰可见，且以较低的能谱密度持
强，自此之后 5、6 阶模态处于共存状态，其中 5 阶模 续存在。顺流向对应时间-频率的希尔伯特谱密度
态为主导模态，6 阶次级模态则表现为伴生模态。 特性如图 13(d) 所示，在 t∈(2 s, 8 s) 时段内，11.2 Hz
t∈(11.5 s, 14 s) 时段内，主振模态由 5 阶跳跃至 6 阶， 的 5 阶模态与 14.5 Hz 的 6 阶模态共存，5 阶模态对
但由其能谱密度可以判断出，该模态并未完全消失， 应的流体力占绝对主导；在 t∈(8 s, 14 s) 时段，主振
而是转化为次级模态。顺流向上的时间-频率的希 模态由 5 阶模态跳跃至 6 阶，6 阶对应的流体力占绝
尔 伯 特 谱 密 度 特 性 如图 12(d) 所 示 ， 在 t∈(2 s, 4 s) 对主导，5 阶模态则完全消失。
期间，仅观察到一个主振模态，即 5 阶模态；在 t∈(4 s, ε g =0.9 时弹性管内流所致横流向、顺流向力的时
12 s) 时段，出现了频率为 14.5 Hz 的 6 阶模态作为次 程曲线如图 14(a) 和 (b) 所示。在一个气液交换周期
级模态，与主振模态共存。t∈(12 s, 14 s) 时段，主振 内，液相流经时段理论值为 0.1×2 s，但实际上流体力
模态由 5 阶跳跃至 6 阶。在 ε g =0.5 气液比下，横流向 约在 1 s 时段内维持较大的幅值。力的幅值的长周
和顺流向的流动特性虽然存在一定差异，但都呈现 期“群性”特征特别显著，但波动幅度明显减小。这
出更为稳定和规律的段塞流特征，气液两相流在弹 一现象可归因于气体迅速进入并占据弹性管大部分
性管中形成了相对平衡的流动结构。 空间，气相逐渐占据主导地位，使管体处于气体渗透
ε g =0.7 时弹性管内流所致横流向、顺流向力的时 阶段 [39] ，液相段也被气相充分混合，导致混合流体的
程曲线如图 13(a) 和 (b) 所示。虽然在一个气液交换 有效密度显著降低，进而减弱了流体对管壁的作用
周期内，液相流经时段理论值为 0.3×2 s，但流体力约 力。横流向力的时间-频率的希尔伯特谱密度特性
在 1.5 s 时段内维持较大的幅值。力的幅值仍保持长 如图 14(c) 所 示 ， 在 t∈(2 s, 9.5 s) 时 段 ， 可 以 观 察 到