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微浮筏阵列蒙皮近壁湍流特性及减阻机理研究
| 论文题名： | 微浮筏阵列蒙皮近壁湍流特性及减阻机理研究 |
| 关键词： | 水下航行器;微浮筏阵列蒙皮;流固耦合;湍流减阻;流向速度;摩擦阻力 |
| 摘要： | 自上世纪五十年代开始，水下航行器在国家战略安全中地位越来越高，这对其快速性和隐蔽性提出了更高要求。因此，如何提高水下航行器的减阻降噪性能，成为其设计制造领域的研究热点。为减小水下航行器的摩擦阻力，本文结合浮筏隔振技术和仿生柔性壁面减阻技术，构建了一种新型的用于湍流减阻的微浮筏阵列蒙皮，建立了其在壁湍流激励下的流固耦合理论模型，并研究了其减阻性能和减阻机理，为减阻蒙皮的设计和应用提供了参考。本文的主要工作内容为: (1)建立了微浮筏阵列蒙皮的流固耦合理论模型。流体域运动控制方程采用不可压缩N-S方程的形式表示，为降低湍流分析的复杂性，应用预解分析方法对流体运动控制方程进行了降阶。利用多体系统动力学分析方法建立了结构域（微浮筏阵列蒙皮）运动控制方程，并结合流固界面边界条件，建立了系统的流固耦合模型。 (2)对流固耦合方程进行了数值求解。为提高近壁区的网格分辨率，基于有限差分法和切比雪夫配置点法进行了空间离散。采用分区法对流固耦合方程进行了数值求解。首先，应用任意拉格朗日-欧拉法对流体运动控制方程进行了求解。其次，应用虚拟质量和阻尼法对微浮筏阵列蒙皮的运动控制方程进行了求解。最后，结合子迭代和艾特肯松弛方法对流体域和结构域进行了分区耦合迭代，得到了流场的速度和压力等参数，并通过算例验证了求解方法的准确性。 (3)分析了结构参数和流速对微浮筏阵列蒙皮减阻性能的影响。以相对减阻率为评价指标，研究了微浮筏阵列蒙皮减阻性能随流速的变化。结果表明，流速在1m/s-16m/s范围内时，微浮筏阵列蒙皮具备减阻性能，并绘制了不同流速下减阻率随蒙皮结构参数的变化曲线。研究结果表明，适当减小柔韧壁面的厚度、弹性模量和微浮筏支撑单元的间距，或增加微浮筏支撑单元中间质量、刚度比、阻尼系数和阻尼比均有利于提升蒙皮减阻性能，最大减阻率能够达到14.33％。 (4)对微浮筏阵列蒙皮的减阻机理进行了研究。利用奇异值分解方法，分别计算了刚性壁面、单层蒙皮和微浮筏阵列蒙皮近壁湍流特征参数（平均速度剖面、脉动速度、雷诺应力和湍流能谱）。结果表明微浮筏阵列蒙皮减阻机理为:通过降低近壁区相干结构的强度和它们之间的相互作用来改变平均流的特征从而实现减阻，使平均流黏性壁区速度剖面上移，增加了黏性底层厚度，降低了流向速度梯度，从而减小了摩擦阻力。 |
| 作者： | 郭红涛 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 赵丹 |
| 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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