基于流场中的运动体表面压电振动减阻研究

发布时间：2017-08-14 14:01

  本文关键词：基于流场中的运动体表面压电振动减阻研究

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【摘要】：无论是在水中还是在空气中运动的物体,都会受到来自流体绕流所产生的阻力。物体绕流时的阻力主要由摩擦阻力和压差阻力两部分组成,对于舰船这种接近于流线型的物体来说,它受到的摩擦阻力占主要部分。通过一定的方法减小流场中运动体受到的阻力,不仅可以节约能源,同时还可以提高它们的机动性。因而对于流场中运动体的减阻研究就显得十分有意义。本文结合压电理论、振动理论、流体力学以及计算流体力学等相关知识,对类似船体的几种运动体模型进行了振动作用下阻力变化的分析。首先本文介绍了流体力学中关于边界层的相关理论和方程,比较了层流边界层和湍流边界层的摩擦阻力系数,并分析了高频微振动的减阻原理。其次根据压电理论和振动理论的相关知识,设计了压电振子来实现所需的壁面振动,并通过有限元软件对其进行了模态分析和瞬态分析,获得了壁面的变形规律和振动参数,在此基础上,编写了程序将壁面振动规律以边界条件的形式写入到流场分析软件中,设置了动网格,实现了仿真上的单向流固电耦合。本文对五种不同流速、三种不同顶角角度下,模型在有无振动作用下受到的总阻力和摩擦阻力的变化情况进行了对比仿真分析。计算了相应模型的减阻率情况,并对不同顶角角度模型下的阻力变化的原因进行了分析。选取减阻效果较明显的顶角为10?的模型,又进一步分析了振幅和相位对其阻力变化的影响,并分析了阻力变化的原因。最后,实验部分,制作了运动体实验模型,并粘贴压电陶瓷,制作了压电振子。首先使用了激光测振仪对压电振子的振动情况进行了测量,验证了仿真分析的正确性。然后搭建了测试系统,测量运动体模型在流场中所受的总阻力。实验在水洞中进行,对不同流速、不同振幅和不同相位作用下模型的阻力变化进行了实验研究,实验结果基本符合仿真结果,验证了仿真分析的正确性。
【关键词】：湍流边界层 压电振子 振动减阻 流固耦合
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661.311
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-12
• 1.1.1 课题背景9-11
• 1.1.2 研究的目的与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状与分析12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 当前研究存在的问题15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 振动减阻机理18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 边界层及其基本方程18-23
• 2.2.1 边界层的概念18-19
• 2.2.2 边界层微分方程19-21
• 2.2.3 壁板层流边界层与湍流边界层21-23
• 2.3 振动减阻的理论基础23-24
• 2.4 本章小结24-26
• 第3章 流场中振动减阻的仿真分析26-53
• 3.1 引言26
• 3.2 本文的计算模型26-27
• 3.3 压电振子的仿真分析27-28
• 3.4 振动作用下不同顶角模型所受流场阻力的仿真分析28-43
• 3.4.1 坐标系与控制域28-30
• 3.4.2 网格划分30
• 3.4.3 边界设定30-31
• 3.4.4 模型设定31
• 3.4.5 求解设定与计算31-33
• 3.4.6 振动作用下不同顶角模型的摩擦阻力变化33-36
• 3.4.7 振动作用下不同顶角模型的总阻力变化36-43
• 3.5 振幅对减阻效果的影响的仿真分析43-47
• 3.6 反相振动作用下阻力变化的仿真分析47-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 流场中振动减阻的实验研究53-67
• 4.1 引言53
• 4.2 实验模型与实验平台53-58
• 4.2.1 实验模型与装置53-54
• 4.2.2 实验水洞54-56
• 4.2.3 阻力测量装置56-58
• 4.3 压电振子振型测试58-59
• 4.4 流场中振动减阻的实验研究59-61
• 4.4.1 不同流速下的振动减阻效果59-60
• 4.4.2 不同振幅下的振动减阻效果60-61
• 4.4.3 反相电压下振动作用影响阻力变化的实验研究61
• 4.5 仿真模拟和实验结果误差分析61-65
• 4.6 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

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本文编号：672999