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考虑空化的三维水翼流固耦合特性研究
| 论文题名： | 考虑空化的三维水翼流固耦合特性研究 |
| 关键词： | 水翼;流固耦合;水动力性能;船舶工程应用 |
| 摘要： | 水翼的流致振动响应特性对于船舶工程应用在减振降噪方面的研究具有重要的意义，漩涡运动引起的水翼的弹性振动和响应的应力状态对船舶推进器结构设计有着不可忽略的影响，同时壁面扰动同推进器空化性能之间也有着紧密的联系。此外，流致空化作为流体机械运转过程中常见但一直以来难以抑制或利用的液-气相转换过程，同结构振动紧密耦合时其带来的复杂水动力载荷特征变化及流场运动规律也对水力结构有着显著的作用。因为数值模拟方法可以根据离散化的流场节点直接获取任意流场空间的压力信息，将其应用于流体-结构耦合问题可以保证研究的可靠性与拓展性。本文以NACA0009尾缘切割翼型截面为研究对象，采用DESSSTk-ω湍流模型模拟流速下的涡旋脱落和近壁流动特性，并考虑有限体积固体应力模型计算水翼的弹性振动，围绕三维两端固定直翼开展了无空化流固耦合数值模拟与刚性水翼水动力数值模拟的对照分析，开展了考虑Schnerr-Sauer空化模型的三维弹性水翼流致振动响应分析，也针对局部流动与载荷特征问题开展了悬臂式三维梯形水翼的数值模拟研究。主要研究内容包括:(1)针对不同攻角和流速下的两端固定的弹性NACA0009(mod)水翼的流体动力载荷和涡旋脱落行为进行了数值模拟分析，评估了刚-弹性水翼的水动力性能差异;基于快速傅里叶变换与振动模态分析获得了耦合系统的共振与频率锁定现象;基于升力载荷周期脉动的特征时间节点，分析了不同时刻下水翼近壁面流动特征与变化趋势。 (2)在考虑空化模型的条件下针对流-固耦合系统的振动响应与流场特征开展了数值模拟研究，评估了不同流场压力下弹性水翼的水动力载荷，开展了包含结构载荷、流动载荷、结构振动与流动状态在内的时-频域振动响应及载荷信号的分析处理;进行了局部空化流场的运动特性及空泡分布的研究，结合了水翼近壁面流场局部流场压力频域特征，分析了不同弦向位置与水翼两侧的差异化流动。 (3)针对结构材料属性以及几何特征影响弹性翼型结构水动力响应及其扰流场的问题，开展了不锈钢与铝两类弹性材料关于两端固定水翼空化-流固耦合特性的研究，研究了展向分布的水翼截面变化对近壁面流场发展规律的影响，同时讨论了悬臂式梯形结构耦合空化流动时承受的水动力载荷特征及相应的振动响应与局部应力状态，结合展向截面流动状态与流场空化与漩涡的三维结构讨论了流场的时域发展规律。 |
| 作者： | 宁小深 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 胡健;朱江波 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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