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原文传递基于双向流固耦合的平板及翼型涡激振动特性研究

论文题名：	基于双向流固耦合的平板及翼型涡激振动特性研究
关键词：	船舶推进;螺旋桨结构;涡激振动;流固耦合
摘要：	螺旋桨流激噪声是制约潜艇声隐身性的重要噪声源。翼型作为螺旋桨截面基本造型，其涡激振动特性是了解螺旋桨唱音的基础。本文基于计算流体力学和结构动力学一般理论，结合时域下的结构有限元算法和计算流体力学方法分别对结构和流场进行同步求解，同一时间步内，通过空间插值来传递位移和压力，从而实现了结构和流体之间的双向耦合，并将其应用到二维平板、二维翼型以及三维梯形翼上，分别进行涡激振动特性研究。　　本文首先从二维平板入手，利用双向流固耦合算法研究了杨氏模量对其涡激振动的影响规律，计算结果与文献值吻合较好。然后立足于工程应用性，针对不同来流速度下二维悬臂平板涡激振动特性进行了分析，捕捉到了结构在第二阶固有频率处发生的频率锁定现象，同时采用单向求解算法对相同工况进行了分析，并将两种算法进行了对比。结果表明，当悬臂平板尾涡发放频率与静水中平板的固有频率接近的时候，尾部旋涡的周期性发放将会诱导平板产生极大的振动响应，继续增大来流速度，涡脱落频率将保持恒定，此即频率锁定现象。在锁定雷诺数区域，单向求解算法得到的位移总响应明显大于双向耦合的结果，而其他非锁定区域，两者差别较小。两种算法得到的涡脱落频率十分接近，结构对流场的反馈作用对涡脱落频率影响较小。基于二维平板的研究结论，本文对二维平板自持振荡的形成条件和影响规律展开了深入的研究。当涡脱落频率接近结构某一阶固有频率、表面脉动压力分布接近结构模态、随边具备一定的厚度、尾涡强度达到一定的水平，流体与结构之间将发生极强的耦合作用，结构振幅达到极大水平，并产生涡脱落频率锁定现象。而当涡脱落频率与其他固有频率重合时，虽能发生涡激共振，但振级大大低于锁定时的振级，此时流-固之间的耦合相对较弱。影响自持振荡发生的主要因素为来流速度和结构材质。进一步将双向耦合算法应用于二维悬臂翼型，采用双向流固耦合算法分别研究了来流速度和随边厚度对零攻角度二维悬臂翼型涡激振动特性的影响规律。结果表明，零攻角下的翼型涡脱落频率与随边厚度关系密切，而与翼型弦长关系不大，当基于翼型随边厚度的雷诺数下的涡脱落频率接近结构某一阶固有频率时，即可诱发结构产生涡激共振甚至频率锁定现象。随边厚度对涡激振动的影响很大，随边厚度越大，越能诱发高强度的尾涡脱落，从而激发更大的结构响应。最后，对三维梯形翼展开研究，首先研究其表面非定常力以及尾涡发放特性，发现梯形翼沿展向存在多个离散的涡脱落频率，且随边脉动压力幅值达到最大。然后采用单向求解算法研究了不同来流速度下梯形翼涡激振动特性，计算在频域下进行。结果表明，结构在固有频率和几个离散涡脱落频率处均出现极大位移响应，且当某个涡脱落频率接近结构某个固有频率时，此来流速度下梯形翼振级达到峰值；随着来流速度的增大，引发涡激振动的位置会向大端方向移动，直到涡激共振解除为止；随着来流速度的继续增大，旋涡脱落频率也将继续增大，将会与更高阶的结构固有频率重合而引发共振现象。
作者：	贾文超
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈美霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文