跨声速嗡鸣诱发机理及其失稳参数研究
发布时间：2021-11-03 21:37
跨声速嗡鸣问题是现代飞行器设计和使用过程中的拦路虎,会造成操纵面的损坏或严重变形。目前嗡鸣研究的局限在于缺乏预测嗡鸣触发参数范围的有效方法,难以指导工程实践。本文通过基于ROM的气动弹性分析模型和CFD/CSD时域仿真方法,研究了三种类型嗡鸣的触发条件及其参数的物理意义。相关结果表明,三种嗡鸣本质都是亚稳定的流动模态和结构模态耦合诱发结构失稳。降阶模型进一步揭示嗡鸣的触发要求流动的稳定裕量足够低（往往在抖振边界附近）,同时结构频率在开环伯德图的零极点频率之间。该研究有助于对嗡鸣物理更深入的理解以及提出新的嗡鸣抑制方法。
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１研究模型示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｏｄｅｌ
但是零点是不稳定的，根据自动控制理论中的零极点关系可以确定，最终系统在极点频率和零点频率之间发生失稳。（ａ）伯德图（ｂ）零极点图４开环系统伯德图及其零极点图，Ｍａ＝０．７，α＝６．２°Ｆｉｇ．４Ｂｏｄｅｇｒａｐｈａｎｄｔｈｅｚｅｒｏ－ｐｏｌｅｐｏｉｎｔａｔＭａ＝０．７，α＝６．２°以上针对开环系统的伯德图和零极点的现象及分析也完全适用于表１中所示的其他状态。图５给出了抖振始发迎角和退出迎角附近若干来流状态下的根轨迹图比较，同时图６给出了失稳区域和零极点的比较。可以发现，两种状态下的根轨迹变化规律一致，在始发迎角附近，随着迎角的增加（靠近抖振始发迎角），系统失稳区域和强度都增大；类似的在退出迎角附近，随着迎角的减小（靠近抖振退出迎角），系统失稳区域和强度增大。这说明Ｂ型嗡鸣和Ａ型嗡鸣类似，本质都是最不稳定流动模态与结构模态耦合导致的单自由度颤振，其诱发条件之一都要求该状态下（ａ）抖振始发边界附近（ｂ）抖振退出边界附近图５耦合系统的根轨迹图，Ｍａ＝０．７Ｆｉｇ．５ＲｏｏｔｌｏｃｉｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍａｔＭａ＝０．７（ａ）抖振始发边界附近（ｂ）抖振退出边界附近图６系统失稳边界和开环零极点的比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｏｕｎｄａｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｚｅｒｏ－ｐｏｌｅｐｏｉｎｔｓ２０１空气动力学学报第３７卷
流动的稳定性足够低，且流动稳定性越低，系统越容易失稳。另外，从图６对比发现，Ａ型嗡鸣和Ｂ型嗡鸣中结构模态失稳的上、下边界分别由开环系统的零极点决定。这从根本上解释了失稳上界的物理意义，对研究嗡鸣的特性和工程中操纵面的防嗡鸣设计具有重要的指导意义。２．２Ｃ型嗡鸣Ｌａｍｂｏｕｒｎｅ［３］通过理论模型预测Ｃ型嗡鸣可能发生的马赫数范围为０．９６至１．４，在该范围内，激波运动的负阻尼效应导致结构的俯仰振荡。图７给出了Ｍａ＝０．９５，１．０，１．２和１．５时的定常流场压力云图分布，可以发现这几个状态下激波已经完全到达翼型尾缘。论文将主要针对这几个典型状态讨论Ｃ型嗡鸣的失稳特性及其诱发机理。图７不同马赫数下流场压力分布Ｆｉｇ．７ＰｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＭａｃｈｎｕｍｂｅｒｓ首先研究Ｃ型嗡鸣的失稳特性。图８给出了Ｍａ＝１．２时降阶模型预测的不同质量比下系统特征根随结构频率的关系，其中俯仰轴位于０．１５倍弦长处（ａ＝０．１５），质量比μ＝６０，１００，２００和５００。与Ａ／Ｂ型嗡鸣不同，从图８（ａ）中并不能提取出明显的参与耦合的流动特征模态，但是依然存在结构分支的失稳。失稳上边界为ｋα＝０．１９，当ｋα＜０．１９系统是不稳定的。另外，对比不同质量比的结果发现质量比对系统失稳区域几乎没有影响，这与文献结果及飞行试验数据类似。从图８（ｂ）的特征值实部（阻尼特性
【参考文献】：
期刊论文
[1]动力学模态分解及其在流体力学中的应用[J]. 寇家庆,张伟伟. 空气动力学学报. 2018(02)
[2]Numerical study on the correlation of transonic single-degree-of-freedom flutter and buffet[J]. GAO ChuanQiang,ZHANG WeiWei,LIU YiLang,YE ZhengYin,JIANG YueWen. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(08)
[3]两种跨声速气动弹性问题分析研究[J]. 史爱明,杨永年,叶正寅. 空气动力学学报. 2005(04)
[4]基于Euler方程的B型和C型嗡鸣特性数值研究[J]. 张伟伟,叶正寅,史爱明,杨永年. 振动工程学报. 2005(04)
[5]跨声速操纵面嗡鸣的数值研究[J]. 代捷,刘千刚. 空气动力学学报. 1997(03)
本文编号：3474383
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１研究模型示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｏｄｅｌ
但是零点是不稳定的，根据自动控制理论中的零极点关系可以确定，最终系统在极点频率和零点频率之间发生失稳。（ａ）伯德图（ｂ）零极点图４开环系统伯德图及其零极点图，Ｍａ＝０．７，α＝６．２°Ｆｉｇ．４Ｂｏｄｅｇｒａｐｈａｎｄｔｈｅｚｅｒｏ－ｐｏｌｅｐｏｉｎｔａｔＭａ＝０．７，α＝６．２°以上针对开环系统的伯德图和零极点的现象及分析也完全适用于表１中所示的其他状态。图５给出了抖振始发迎角和退出迎角附近若干来流状态下的根轨迹图比较，同时图６给出了失稳区域和零极点的比较。可以发现，两种状态下的根轨迹变化规律一致，在始发迎角附近，随着迎角的增加（靠近抖振始发迎角），系统失稳区域和强度都增大；类似的在退出迎角附近，随着迎角的减小（靠近抖振退出迎角），系统失稳区域和强度增大。这说明Ｂ型嗡鸣和Ａ型嗡鸣类似，本质都是最不稳定流动模态与结构模态耦合导致的单自由度颤振，其诱发条件之一都要求该状态下（ａ）抖振始发边界附近（ｂ）抖振退出边界附近图５耦合系统的根轨迹图，Ｍａ＝０．７Ｆｉｇ．５ＲｏｏｔｌｏｃｉｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍａｔＭａ＝０．７（ａ）抖振始发边界附近（ｂ）抖振退出边界附近图６系统失稳边界和开环零极点的比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｏｕｎｄａｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｚｅｒｏ－ｐｏｌｅｐｏｉｎｔｓ２０１空气动力学学报第３７卷
流动的稳定性足够低，且流动稳定性越低，系统越容易失稳。另外，从图６对比发现，Ａ型嗡鸣和Ｂ型嗡鸣中结构模态失稳的上、下边界分别由开环系统的零极点决定。这从根本上解释了失稳上界的物理意义，对研究嗡鸣的特性和工程中操纵面的防嗡鸣设计具有重要的指导意义。２．２Ｃ型嗡鸣Ｌａｍｂｏｕｒｎｅ［３］通过理论模型预测Ｃ型嗡鸣可能发生的马赫数范围为０．９６至１．４，在该范围内，激波运动的负阻尼效应导致结构的俯仰振荡。图７给出了Ｍａ＝０．９５，１．０，１．２和１．５时的定常流场压力云图分布，可以发现这几个状态下激波已经完全到达翼型尾缘。论文将主要针对这几个典型状态讨论Ｃ型嗡鸣的失稳特性及其诱发机理。图７不同马赫数下流场压力分布Ｆｉｇ．７ＰｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＭａｃｈｎｕｍｂｅｒｓ首先研究Ｃ型嗡鸣的失稳特性。图８给出了Ｍａ＝１．２时降阶模型预测的不同质量比下系统特征根随结构频率的关系，其中俯仰轴位于０．１５倍弦长处（ａ＝０．１５），质量比μ＝６０，１００，２００和５００。与Ａ／Ｂ型嗡鸣不同，从图８（ａ）中并不能提取出明显的参与耦合的流动特征模态，但是依然存在结构分支的失稳。失稳上边界为ｋα＝０．１９，当ｋα＜０．１９系统是不稳定的。另外，对比不同质量比的结果发现质量比对系统失稳区域几乎没有影响，这与文献结果及飞行试验数据类似。从图８（ｂ）的特征值实部（阻尼特性
【参考文献】：
期刊论文
[1]动力学模态分解及其在流体力学中的应用[J]. 寇家庆,张伟伟. 空气动力学学报. 2018(02)
[2]Numerical study on the correlation of transonic single-degree-of-freedom flutter and buffet[J]. GAO ChuanQiang,ZHANG WeiWei,LIU YiLang,YE ZhengYin,JIANG YueWen. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(08)
[3]两种跨声速气动弹性问题分析研究[J]. 史爱明,杨永年,叶正寅. 空气动力学学报. 2005(04)
[4]基于Euler方程的B型和C型嗡鸣特性数值研究[J]. 张伟伟,叶正寅,史爱明,杨永年. 振动工程学报. 2005(04)
[5]跨声速操纵面嗡鸣的数值研究[J]. 代捷,刘千刚. 空气动力学学报. 1997(03)
本文编号：3474383
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