一端固支一端铰支弹性薄翼面的流固耦合分析
发布时间：2021-11-26 11:03
随着太阳能飞机等国家重大项目的发展,近年来柔性机翼在实验及数值模拟中都被广泛研究。本文设计了翼型为NACA0012,展弦比为9的柔性薄翼面机翼,通过实验流体力学的方法,利用六分量测力天平、压力扫描阀、热线、布拉格光纤光栅以及粒子图像测速技术等仪器,研究了机翼在一端固支一端铰支方式下的气动力、振动及流场等方面的信息,并与两端固支机翼进行对比分析。本次实验聚焦于机翼攻角α为0°～90°,雷诺数为9.6×104,1.28×105和1.5×105的工况,根据升力系数与攻角的变化关系,可以将机翼的攻角分成三个区域。小攻角α为0°～4°下,升力系数与α的变化呈线性关系;α为4°～12°时处于失速区,升力系数会有下降的趋势,相比刚性机翼一端固支一端铰支机翼会提前失速;α为12°～90°为大攻角区域,当α增大到50°时,升力系数持续升高,当α继续增大时,升力系数下降,到90°时升力系数最小。通过粒子图像测速数据研究发现,机翼在三个攻角区域范围内分别有不同的流动状态,小攻角区域时机翼表面流动并未发生分离;在失速区域机翼表面流场开始发生分离...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超大风力发电机叶片
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景和研究意义随着国家综合实力的不断增强，国家国防重大发展项目发展需求不断增大。在诸如太阳能飞机、超大风力发电机叶片、超大跨度桥梁等重大项目中，它们研究的共同点是都涉及到薄翼面结构，且结构的展长与弦长之比非常大。这种薄翼面结构因为其本身的特点，在流场中更容易发生弯曲和扭转而产生三维大变形和复杂振动。同时变形后的结构又会影响流场的分布，进而产生湍流结构高度复杂的绕流。图1-1超大风力发电机叶片图1-2太阳能飞机以高空长航太阳能飞机为例，它可以执行侦察、救灾、通信等任务，是具有极为重要的民事和军事用途的飞行器。自从1974年第一架太阳能飞机试飞成功后，全世界各个国家开始意识到太阳能飞机的发展潜力及重要性[1]。太阳能飞机运行过程中需要满足数月甚至更长的长航需求，而长航需求的发展又会受到太阳能电池容量及大小的限制，当太阳能飞机结构长而薄，更利于太阳能电池的布置。因此，在太阳能飞机的发展过程中机翼变得越来越长、越来越薄，目前已投入使用的机翼展长已超过100米，展弦比已经可以大于40。在此发展过程中，机翼已经变成一个大展弦比薄翼面结构，其刚度变得越来越差，更加容易发生三维大变形。与常规的飞行器不同的是，大展弦比柔性机翼在变形的过程中翼梢的弯曲变形可达到展长的30%左右，扭转变形也可达到展长的20%以上，变形后的机翼几乎成为一个柔弹性结构，而与机翼相关的问题也转变成了一个气动弹性问题，适用于常规刚性飞行器的小扰动基础的线性理论已不再适用。纵观各国研制太阳能飞机的过程中发现，NASA的太阳神，Google的Titan，Facebook的天鹰，都曾发生过因大变形流固耦合引起结构破坏甚至失控失事的事故。这类太阳能无人
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-另一方面也减轻了模型的质量。在机翼内部放置铅皮来调整机翼模型的质量分布，使质心落在机翼弹性轴后方，距离弹性轴中心线0.25c。安装完成后，称量机翼模型总体质量为m=360g，质量比计算公式m*=4m/(ρπc2l)，其中ρ取空气密度，c和l分别为机翼的弦长和展长，计算得机翼得质量比为m*=88。机翼主要设计参数见表2-1。图2-2机翼的截面尺寸及整体安装位置图图2-3薄壳机翼剖面实物图图2-2还给出了机翼模型在风洞内的安装信息。本文中的实验需要研究由于其自身柔性产生的变形，为了减少机翼本身重力对实验结果造成的影响，机翼在风洞中采用竖直向下的方式（即z轴垂直于地面）进行安装。本实验采用的直角坐标系为：机翼高度方向为z方向,来流方向为x方向,横风向为y方向，坐标原点测力天平1轴承测力天平2圆盘热线FBGPIV激光机翼压力测量孔弹性轴FBG弹性轴配重孔PIV相机
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD/CSD大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析[J]. 季开云,杨加明. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]大展弦比柔性机翼气动弹性风洞模型设计与试验验证[J]. 谢长川,胡锐,王斐,刘燚,常楠. 工程力学. 2016(11)
[3]翼尖涡多阶段演化过程及其对气动力的影响[J]. 张宇轩,王福新. 科学技术与工程. 2016(19)
[4]Gust response analysis and wind tunnel test for a high-aspect ratio wing[J]. Liu Yi,Xie Changchuan,Yang Chao,Cheng Jialin. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(01)
[5]大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法[J]. 段静波,周洲,王伟,江涛,王睿. 航空学报. 2016(03)
[6]风洞试验中测压管路信号畸变及修正研究[J]. 马文勇,刘庆宽,刘小兵,尉耀元. 实验流体力学. 2013(04)
[7]有限长正方形棱柱绕流的双稳态现象[J]. 王汉封,徐萌霞. 力学与实践. 2013(03)
硕士论文
[1]两端固支弹性机翼流固耦合研究[D]. 王勇.哈尔滨工业大学 2020
本文编号：3520014
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超大风力发电机叶片
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景和研究意义随着国家综合实力的不断增强，国家国防重大发展项目发展需求不断增大。在诸如太阳能飞机、超大风力发电机叶片、超大跨度桥梁等重大项目中，它们研究的共同点是都涉及到薄翼面结构，且结构的展长与弦长之比非常大。这种薄翼面结构因为其本身的特点，在流场中更容易发生弯曲和扭转而产生三维大变形和复杂振动。同时变形后的结构又会影响流场的分布，进而产生湍流结构高度复杂的绕流。图1-1超大风力发电机叶片图1-2太阳能飞机以高空长航太阳能飞机为例，它可以执行侦察、救灾、通信等任务，是具有极为重要的民事和军事用途的飞行器。自从1974年第一架太阳能飞机试飞成功后，全世界各个国家开始意识到太阳能飞机的发展潜力及重要性[1]。太阳能飞机运行过程中需要满足数月甚至更长的长航需求，而长航需求的发展又会受到太阳能电池容量及大小的限制，当太阳能飞机结构长而薄，更利于太阳能电池的布置。因此，在太阳能飞机的发展过程中机翼变得越来越长、越来越薄，目前已投入使用的机翼展长已超过100米，展弦比已经可以大于40。在此发展过程中，机翼已经变成一个大展弦比薄翼面结构，其刚度变得越来越差，更加容易发生三维大变形。与常规的飞行器不同的是，大展弦比柔性机翼在变形的过程中翼梢的弯曲变形可达到展长的30%左右，扭转变形也可达到展长的20%以上，变形后的机翼几乎成为一个柔弹性结构，而与机翼相关的问题也转变成了一个气动弹性问题，适用于常规刚性飞行器的小扰动基础的线性理论已不再适用。纵观各国研制太阳能飞机的过程中发现，NASA的太阳神，Google的Titan，Facebook的天鹰，都曾发生过因大变形流固耦合引起结构破坏甚至失控失事的事故。这类太阳能无人
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-另一方面也减轻了模型的质量。在机翼内部放置铅皮来调整机翼模型的质量分布，使质心落在机翼弹性轴后方，距离弹性轴中心线0.25c。安装完成后，称量机翼模型总体质量为m=360g，质量比计算公式m*=4m/(ρπc2l)，其中ρ取空气密度，c和l分别为机翼的弦长和展长，计算得机翼得质量比为m*=88。机翼主要设计参数见表2-1。图2-2机翼的截面尺寸及整体安装位置图图2-3薄壳机翼剖面实物图图2-2还给出了机翼模型在风洞内的安装信息。本文中的实验需要研究由于其自身柔性产生的变形，为了减少机翼本身重力对实验结果造成的影响，机翼在风洞中采用竖直向下的方式（即z轴垂直于地面）进行安装。本实验采用的直角坐标系为：机翼高度方向为z方向,来流方向为x方向,横风向为y方向，坐标原点测力天平1轴承测力天平2圆盘热线FBGPIV激光机翼压力测量孔弹性轴FBG弹性轴配重孔PIV相机
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD/CSD大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析[J]. 季开云,杨加明. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]大展弦比柔性机翼气动弹性风洞模型设计与试验验证[J]. 谢长川,胡锐,王斐,刘燚,常楠. 工程力学. 2016(11)
[3]翼尖涡多阶段演化过程及其对气动力的影响[J]. 张宇轩,王福新. 科学技术与工程. 2016(19)
[4]Gust response analysis and wind tunnel test for a high-aspect ratio wing[J]. Liu Yi,Xie Changchuan,Yang Chao,Cheng Jialin. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(01)
[5]大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法[J]. 段静波,周洲,王伟,江涛,王睿. 航空学报. 2016(03)
[6]风洞试验中测压管路信号畸变及修正研究[J]. 马文勇,刘庆宽,刘小兵,尉耀元. 实验流体力学. 2013(04)
[7]有限长正方形棱柱绕流的双稳态现象[J]. 王汉封,徐萌霞. 力学与实践. 2013(03)
硕士论文
[1]两端固支弹性机翼流固耦合研究[D]. 王勇.哈尔滨工业大学 2020
本文编号：3520014
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