超音速进气道流固耦合振动研究

发布时间：2017-10-13 15:24

  本文关键词：超音速进气道流固耦合振动研究

  更多相关文章： 弹性进气道 激波-边界层作用 自激振荡 背压扰动 流固耦合

【摘要】：随着超音速飞行器的发展,人们对进气道设计提出了更高的要求。为了提高发动机推重比,提升飞行器性能,逐渐采用薄壁弹性结构设计进气道。这使得进气道薄壁弹性壁板流固耦合问题日益突出。但传统的进气道刚性设计方法不适合描述这类现象。因而需要采用流固耦合方法分析弹性进气道流固耦合问题。目前,关于超音速进气道流固耦合作用的研究报道较少。已有的研究多涉及耦合作用进入静止状态的情形,而关于激波大幅振荡引起的流固耦合作用研究则鲜有报道。基于上述背景,本文采用流固耦合方法,研究了超音速进气道内激波-边界层作用引起的非定常流动与弹性壁板非线性振动之间的耦合作用。鉴于多物理场分析的复杂性,论文根据由浅入深的原则,首先将进气道流固耦合问题分解为三个独立问题:非定常流动问题,非线性振动问题和流固耦合算法问题,并针对简化研究对象,对这三个问题分别研究。在此基础上,以某冲压发动机进气道为对象,研究激波-边界层作用引起的非定常流动和弹性壁板非线性振动之间的耦合问题。最后,通过试验方法研究某冲压发动机进气道内非定常流动现象,验证本文仿真建模方法。本文相关研究工作如下:一、建立了描述进气道内激波-边界层作用的跨音速流动模型,提出了通过修正入口湍流参数来提高激波-边界层作用求解精度的方法和通过背压扰动触发来提高激波-边界层作用自激振荡求解速度的方法,研究了湍流模型、入口湍流参数和出口背压扰动对简化进气道内稳态流动和非定常流动的影响。研究表明,修正入口湍流参数后的标准k-ω湍流模型能准确地描述稳态激波-边界层作用稳态流动和非定常流动。而背压扰动则通过非线性“频率捕捉”现象影响进气道内流动。并且,激波振荡现象对进气道壁面形成复杂激励,包括振荡区域内的行波激励和其下游区域的简谐激励。二、基于冯·卡门几何非线性理论,建立了描述进气道弹性壁板非线性振动的有限元模型,分析了弹性壁板在简谐激励、行波激励和实际激波振荡激励作用下的非线性振动响应。研究表明,冯·卡门几何非线性会引起进气道弹性壁板振动响应出现非线性“跳跃”现象,导致振动响应存在双重解区域,使得振动状态取决于激励加载历史。另外,非线性“跳跃”还可能导致激励频率轻微变化时壁板振动响应大幅增加,不利于进气道弹性壁板振动控制。但通过降低激励幅值的方式可以有效削弱非线性“跳跃”,而增加壁板阻尼则可以抑制非线性“跳跃”。三、建立了描述进气道非定常流动与弹性壁板非线性振动之间耦合作用的分区流固耦合模型,提出了具有自适应变时间步长特征的流固耦合算法,并对比了三种自适应准则对耦合结果的影响。结果表明,采用流固耦合界面振动速度自适应准则时,自适应变时间步长耦合算法能够在保证分析精度的前提下,提高分区流固耦合求解速度。四、基于前述三类数值模型和分析方法,研究了某亚燃冲压发动机二元矩形进气道内非定常流动现象,及其与弹性壁板振动之间的耦合作用。研究表明,激波-边界层作用自激振荡和背压扰动引起的流固耦合状态并不相同。当进气道出口背压恒定时,流固耦合状态受是否发生激波-边界层作用自激振荡现象影响:在不发生自激振荡现象时,进气道流固耦合作用进入静平衡状态;而发生自激振荡现象时,流固耦合作用还受壁板阻尼影响。其中,无壁板阻尼或阻尼较小时,流固耦合作用为颤振状态;而较大阻尼时为静平衡状态。当进气道出口存在背压扰动时,弹性壁板流固耦合振动只存在受扰动状态。通过增加弹性壁板阻尼和降低背压扰动幅值的方式可以有效削弱此时的壁板振动幅值和激波振荡幅值。五、针对某亚燃冲压发动机二元矩形进气道模型,进行了进气道压力脉动试验研究,分析了来流马赫数、攻角和出口背压对进气道内流动的影响,部分验证了本文流动建模方法和分析过程。其中,进气道临界压比仿真结果与试验结果吻合;而超临界工况下进气道压力脉动频率仿真结果与试验结果基本吻合,压力脉动幅值结果存在一定误差。综上所述,本文基于数值仿真和试验方法,研究了冲压发动机进气道内非定常流动与弹性壁板非线性振动之间的耦合作用;建立了进气道流动模型、非线性振动模型和流固耦合模型;分析了各类因素对进气道非定常流动及其流固耦合作用的影响规律。本研究可对先进超音速飞行器进气道弹性设计提供技术参考。
【关键词】：弹性进气道 激波-边界层作用 自激振荡 背压扰动 流固耦合
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.48
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-32
• 1.1 研究背景和意义15-16
• 1.2 进气道弹性设计研究现状16-22
• 1.2.1 进气道变几何弹性设计16-19
• 1.2.2 进气道抽吸结构弹性设计19-22
• 1.3 跨音速非定常流动激励研究现状22-30
• 1.3.1 自激振荡引起的非定常流动22-26
• 1.3.2 燃烧室扰动引起的非定常流动26-30
• 1.4 本文主要研究内容30-32
• 第2章 进气道非定常流动激励研究32-66
• 2.1 引言32
• 2.2 进气道流动建模32-36
• 2.2.1 几何模型及流动控制方程32-34
• 2.2.2 数值求解方法34-36
• 2.3 进气道稳态流动分析36-41
• 2.3.1 湍流模型对稳态流动的影响36-39
• 2.3.2 修正入口湍流参数方法39-41
• 2.4 进气道自激振荡流动分析41-55
• 2.4.1 背压扰动触发加速求解方法41-43
• 2.4.2 湍流模型对自激振荡的影响43-51
• 2.4.3 入口湍流参数的影响51-55
• 2.5 燃烧室压力扰动时进气道流动分析55-63
• 2.5.1 受迫振荡求解设置56
• 2.5.2 湍流模型对受迫振荡的影响56-60
• 2.5.3 出口扰动参数的影响60-63
• 2.6 本章小结63-66
• 第3章 进气道壁板非线性振动响应研究66-93
• 3.1 引言66
• 3.2 进气道结构非线性振动建模66-72
• 3.2.1 壁板振动控制方程66-69
• 3.2.2 有限元单元类型的影响69-72
• 3.3 简谐激励作用下非线性响应分析72-80
• 3.3.1 壁板振动幅值非线性跳跃73-77
• 3.3.2 非线性幅值跳跃的影响因素77-80
• 3.4 行波激励作用下非线性响应分析80-87
• 3.4.1 行波激励下壁板响应特点80-83
• 3.4.2 非线性幅值跳跃及其影响因素83-87
• 3.5 移动激波载荷作用下非线性响应分析87-91
• 3.6 本章小结91-93
• 第4章 自适应变时间步长流固耦合算法研究93-132
• 4.1 引言93
• 4.2 自适应变时间步长流固耦合算法93-97
• 4.2.1 分区耦合算法94-96
• 4.2.2 自适应变时间步长方法96-97
• 4.3 无粘超音速流动壁板颤振算例验证97-106
• 4.3.1 几何模型及结果98-101
• 4.3.2 流动等效阻尼效应101-103
• 4.3.3 自适应变时间步长的影响103-106
• 4.4 自激振荡流动时进气道振动算例验证106-113
• 4.5 背压扰动时进气道振动算例验证113-129
• 4.5.1 结构阻尼的影响114-121
• 4.5.2 扰动频率及幅值的影响121-129
• 4.6 本章小结129-132
• 第5章 冲压发动机二元进气道流固耦合作用研究132-178
• 5.1 引言132
• 5.2 进气道稳态流动及结构模态132-139
• 5.2.1 进气道稳态流动132-139
• 5.2.2 进气道结构模态139
• 5.3 自激振荡时冲压发动机进气道振动139-155
• 5.3.1 自激振荡时进气道非定常流动分析140-146
• 5.3.2 自激振荡流动时进气道流固耦合分析146-155
• 5.4 背压扰动时冲压发动机进气道振动155-175
• 5.4.1 背压扰动时进气道非定常流动分析155-166
• 5.4.2 背压扰动时进气道流固耦合分析166-175
• 5.5 本章小结175-178
• 第6章 冲压发动机二元进气道压力脉动试验178-187
• 6.1 引言178
• 6.2 进气道模型简介178-179
• 6.3 压力脉动试验方法及步骤179-180
• 6.4 压力脉动数据分析及对比180-186
• 6.4.1 超临界工况181-183
• 6.4.2 临界工况183-186
• 6.5 本章小结186-187
• 结论187-189
• 参考文献189-200
• 攻读博士学位期间发表的论文200-202
• 致谢202-203
• 个人简历203

，

本文编号：1025593