基于雙向流固耦合的平板及翼型渦激振動特性研究.pdf

1、螺旋槳流激噪聲是制約潛艇聲隱身性的重要噪聲源。翼型作為螺旋槳截面基本造型，其渦激振動特性是了解螺旋槳唱音的基礎。本文基于計算流體力學和結構動力學一般理論，結合時域下的結構有限元算法和計算流體力學方法分別對結構和流場進行同步求解，同一時間步內(nèi)，通過空間插值來傳遞位移和壓力，從而實現(xiàn)了結構和流體之間的雙向耦合，并將其應用到二維平板、二維翼型以及三維梯形翼上，分別進行渦激振動特性研究。
　　本文首先從二維平板入手，利用雙向流固耦合算法研

2、究了楊氏模量對其渦激振動的影響規(guī)律，計算結果與文獻值吻合較好。然后立足于工程應用性，針對不同來流速度下二維懸臂平板渦激振動特性進行了分析，捕捉到了結構在第二階固有頻率處發(fā)生的頻率鎖定現(xiàn)象，同時采用單向求解算法對相同工況進行了分析，并將兩種算法進行了對比。結果表明，當懸臂平板尾渦發(fā)放頻率與靜水中平板的固有頻率接近的時候，尾部旋渦的周期性發(fā)放將會誘導平板產(chǎn)生極大的振動響應，繼續(xù)增大來流速度，渦脫落頻率將保持恒定，此即頻率鎖定現(xiàn)象。在鎖定雷諾

3、數(shù)區(qū)域，單向求解算法得到的位移總響應明顯大于雙向耦合的結果，而其他非鎖定區(qū)域，兩者差別較小。兩種算法得到的渦脫落頻率十分接近，結構對流場的反饋作用對渦脫落頻率影響較小?；诙S平板的研究結論，本文對二維平板自持振蕩的形成條件和影響規(guī)律展開了深入的研究。當渦脫落頻率接近結構某一階固有頻率、表面脈動壓力分布接近結構模態(tài)、隨邊具備一定的厚度、尾渦強度達到一定的水平，流體與結構之間將發(fā)生極強的耦合作用，結構振幅達到極大水平，并產(chǎn)生渦脫落頻率鎖定

4、現(xiàn)象。而當渦脫落頻率與其他固有頻率重合時，雖能發(fā)生渦激共振，但振級大大低于鎖定時的振級，此時流-固之間的耦合相對較弱。影響自持振蕩發(fā)生的主要因素為來流速度和結構材質(zhì)。進一步將雙向耦合算法應用于二維懸臂翼型，采用雙向流固耦合算法分別研究了來流速度和隨邊厚度對零攻角度二維懸臂翼型渦激振動特性的影響規(guī)律。結果表明，零攻角下的翼型渦脫落頻率與隨邊厚度關系密切，而與翼型弦長關系不大，當基于翼型隨邊厚度的雷諾數(shù)下的渦脫落頻率接近結構某一階固有頻率時

5、，即可誘發(fā)結構產(chǎn)生渦激共振甚至頻率鎖定現(xiàn)象。隨邊厚度對渦激振動的影響很大，隨邊厚度越大，越能誘發(fā)高強度的尾渦脫落，從而激發(fā)更大的結構響應。最后，對三維梯形翼展開研究，首先研究其表面非定常力以及尾渦發(fā)放特性，發(fā)現(xiàn)梯形翼沿展向存在多個離散的渦脫落頻率，且隨邊脈動壓力幅值達到最大。然后采用單向求解算法研究了不同來流速度下梯形翼渦激振動特性，計算在頻域下進行。結果表明，結構在固有頻率和幾個離散渦脫落頻率處均出現(xiàn)極大位移響應，且當某個渦脫落頻率接