Volterra级数及其在低速流壁板气动力识别与预测中的应用

发布时间：2020-07-20 15:22

【摘要】：本文对高速列车设计中广泛讨论的车窗及车身蒙皮等壁板结构的气动弹性相关问题进行研究,基于Volterra级数理论和CFD数值模拟对低速流壁板气动力响应进行识别与预测。具体工作如下:1.选取非定常气动力降阶模型中的Volterra级数理论作为系统辨识方法,着眼于系统外部输入输出特征,选取脉冲响应法识别Volterra核,并建立相应的Volterra级数模型。基于Volterra级数理论预测了弱非线性电路系统的Riccati方程、单自由度受迫振动系统和二维简支壁板气弹简化系统三个动力学系统的响应,并进行了变参分析,讨论了该法对弱非线性问题的适用性;2.总结了各类数值模拟湍流模型的适用范围及优缺点,最终选择标准k-?模型进行后续研究,选择弹簧光顺法和网格重构作为动网格方法,通过对用户自定义函数进行二次开发实现了既定的网格运动控制;3.以经典的二维圆柱绕流模型为例,基于Volterra级数理论对系统作刚体运动时的气动力响应进行预测。通过UDF控制圆柱进行上下沉浮式的刚体运动,通过对比CFD计算升力值和Volterra级数模型预测升力值发现,对于包含随机运动在内的小幅运动的圆柱表面升力的预测有较高的精度;4.选取低速流中的二维悬臂板作为本文的研究对象,根据结构动力学将弹性结构的位移写作模态叠加,通过UDF将悬臂板前三阶模态坐标分别作为三个位移信号输入,建立壁板Volterra级数模型。构造包括随机运动的任意运动,实现了基于Volterra级数理论的气动力响应预测,与CFD数值模拟结果进行对比结果表明:预测结果较好,精度较高。基于Volterra级数的气动力响应预测结果,对壁板上压力分布特性进行了初步分析。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O35;U270.1
【图文】：

图 4-2 计算网格图 4-2 所示网格单元数为 7800，节点数为 8010。由于数值模拟的精度与网格疏密关系极大，网格越密计算精度越好但将伴随计算量相应增大，因此在不影响计算精度的情况下，选取合适规模的网格能够极大地提高计算效率。所以，数值模拟前的网格无关性验证极为重要。本文选取三套网格进行验证，图 4-2 中网格规模乘以二作为第一套网格，网格单元数为 16200，名为 W1；图 4-2 中网格名为 W2；图 4-2 中网格规模除以二作为第三套网格，网格单元数为 3800，名为 W3。现选取数据监测点为图 4-2 中圆柱上方十字标记处，在 5m/s 入口流速下监测该点流速，三套网格计算结果如图 4-3 所示。

图 4-4 圆柱表面升力时程曲线如图 4-4 所示，在迭代至 500 步左右时，升力呈稳定周期性变化，可推断此时流场达到稳态。此时刻速度云图如图 4-5 所示：

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 39 页5.3.2 网格划分及无关性验证根据模型特性，对二维悬臂板模型采用自由化网格划分，在板近场区域局部加密以适应复杂流动特性，在远离板面的区域网格设置疏松以在保证计算精度的前提下减少计算量。选取一套网格如图 5-3 所示：

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本文编号：2763618