亚音速壁板的动力学特性的理论及实验研究

发布时间：2020-08-03 13:12

【摘要】：本文针对单侧受亚音速气流作用的壁板的气动弹性问题进行了研究,主要包括：对多种工况下壁板的失稳特性的研究；在非线性环节作用下壁板失稳后的非线性动力学特性的研究；壁板气动弹性的风洞模型研究。本文具体研究工作如下：1.以亚音速气流中的二维简支壁板为研究对象,首先考虑气流尾流的影响,采用边界元方法(BE法)获得作用壁板上的气动力,然后采用微分求积法(DQ法)对壁板结构进行空间离散,建立了一套基于DQ法和BE法相结合的耦合算法,并利用该算法对简支壁板系统的稳定特性进行了分析。结果表明：本文考虑的简支壁板的发散形式为发散失稳：气流尾流对壁板系统的发散失稳模态有着重要影响,即当考虑尾流时壁板已经不再呈现对称的的失稳模态。2.以受到一刚性平面限制的亚音速气流中的粘弹性二维几何大变形壁板为研究对象,基于无限长波形壁面假设,采用级数展开方法获得了作用在壁板上离散气动力表达式。采用Galerkin方法对壁板的运动方程进行离散,研究了壁板的失稳特性及其在失稳后的非线性运动特性。计算结果表明：该简支壁板的失稳仍然为发散失稳：而系统的发散临界速度与刚性平面的高度有关,且呈现典型的非线性关系；随着高度的增加,其刚性平面的影响也将逐渐降低；系统在发散失稳后出现了两个对称的平衡状态,并处于屈曲状态。3.以非线性运动约束作用下的亚音速气流中的二维悬臂壁板为研究对象,采用Galerkin方法对运动控制方程进行离散,研究了该壁板系统的稳定性、非线性分叉及复杂响应。计算结果表明,该悬臂壁板出现了动态的颤振失稳及静态的发散失稳,其失稳类型与运动约束的刚度有关：当约束刚度较小时,系统将处于颤振失稳；而当刚度较大时,系统仅仅会经历发散失稳；当动压穿越颤振边界后,系统将经历超临界的Hopf分叉将处于稳定极限环颤振运动；系统进入混沌运动经历了周期倍化分叉过程；系统存在混沌,周期-3,暂态混沌等多种非线性运动。4.以同时考虑位置可变的集中质量块与非线性运动约束联合作用下的亚音速二维粘弹性壁板为研究对象,采用Galerkin方法对运动控制方程进行离散,研究了系统的失稳特性,考察不同的集中质量块大小及其位置对系统临界失稳速度的影响。应用等效线化方法对系统的极限环运动进行了研究,分析了极限环运动稳定性及其幅值随动压的变化关系。计算结果表明,系统的失稳类型为颤振失稳,颤振失稳临界速度与集中质量的大小及其放置位置具有很大关联：集中质量在某些位置会使得壁板的颤振临界速度降低,使得壁板的稳定性变低；而在其他的位置其会使颤振临界速度增高,从而使壁板的稳定性增大；基于等效线化方法对系统极限环运动分析结果与数值模拟结果吻合较好,说明了该方法的其适用性。5.以考虑几何大变形因素的二维粘弹性悬臂壁板为研究对象,基于不可伸长理论及能量原理推导了其在亚音速气流中的非线性运动方程方程,采用Galerkin方法对系统的方程进行离散,采用数值模拟的方法计算了系统的非线性极限环颤振运动。计算结果表明,系统进入极限环运动时经过了超临界的Hopf分叉；系统存在对称及非对称的极限环运动；对称的极限环运动会经历亚临界Pithfork分叉而变为非对称的极限环运动；极限环的运动幅值随着动压的增大而增大；系统存在周期-3、混沌等非线性运动。6.以几何非线性悬臂二维亚音速壁板模型、具有立方非线性刚度弹簧限制横向运动的二维亚音速悬臂壁板模型为研究对象,设计相应的几何非线性二维亚音速壁板模型、具有立方非线性刚度的支承结构结构非线性二维壁板模型、相应的模型安装支架,在低速风洞中实现二维壁板的极限环颤振现象。实验结果表明：实验模型会在一定的风速范围内产生极限环颤振运动；实验结果可以验证理论分析的正确性。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O354.1
【图文】：

逦（２－５７）逡逑据式口－５７）计算得到，本文计算壁板模型的发散临界速度为的＝６．８２６９ｍ／ｓ。逡逑图２－３给出了当不考虑壁板尾流影响时，系统频率随着流速的变化曲线图。从图逡逑２－３可知，当流速超过６．８４ｍ／ｓ时，系统的第一阶频率变为零，根据识别条件（２－１２）可Ｗ逡逑判定系统此时发生了发散失稳。因此当不考虑尾流影响时，本文结果与文的结果吻合逡逑很好。逡逑２．５１逦１逦１逦１逦１逦．逦．逦．逦．逦１逦１逦９｜逦＞逦＞逦＇逦＇逦＇逦＞逦＇逦＇逦＞逦逡逑，：：邋／邋；逡逑所。逦ｒ逦：逦－逦仍！邋ｉ逦＼逡逑Ａ５邋■逦＼逦ｊ邋＼逦－逦＼＂■逡逑．，；；邋＾邋／邋．．逡逑３邋Ｃ邋Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦１逦Ｉ逦Ｉ逦邋Ｑ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｌ邋．逦１逦ＩＩ逦１逦．逦＇邋Ｉ逦Ｉ逦－逡逑０逦２逦４邋巨邋８逦１０逦１２逦１４逦１目邋１日邋２０逦０逦２逦４逦６逦８逦１０逦１２逦１４逦１６逦１８逦２０逡逑Ｕ逦Ｕ逡逑图２－３不考虑尾流效应时系统特征值随流速变化图逡逑图２－４给出了考虑壁板尾流影响时，系统频率随流速的变化曲线图。从国２－４可知，逡逑系统发散失稳的临界速度为７．３ｍ／ｓ

图２－４考虑尾流效应时系统特征值随流速变化图逡逑另外，尾流对壁板的影响并不只是对发散临界速度的影响，尾流对壁板失稳模态逡逑也有着影响，如图２－５所示。从图２－５（ａ）可知，不考虑壁板尾流效应时，壁板的失稳模逡逑态呈现对称状态；而考虑壁板尾流效应时，壁板的失稳模态却呈现出了非对称的状态，逡逑如图２．５（ｂ）所示。逡逑国２．５壁板失稳模态示意图。（ａ）无尾流；作）有尾流。逡逑

逦口－３７）逡逑由上式可知，系统的发散临界速度与刚性壁面的位置保持着非线性的变化关系。逡逑图３－２给出了系统第一阶发散临界动压Ａ与参数石的变化关系。由该图可知，随着刚性逡逑壁面位置的增加，系统的发散临界动压也在增大；当在＾２时，临界动压将趋于稳定逡逑的值，即Ａ逦这也与文表［４９－５１］所得到的结果相一致。这说明，当刚性壁面的位逡逑置超过两倍的壁板长度时，刚性壁面对流体的限制作用将可Ｗ忽略，此时流场可视为逡逑半无限大的开阔流场。逡逑４０邋Ｉ逦逦逦逦逡逑巧逦３逡逑ｎ逡逑３０逡逑矿」／逡逑２０邋／逡逑１５逦／逡逑１０逡逑￥／逡逑０邋！逦—逦逦逦，逦－逦－逦逡逑０逦１逦２邋拓逦３逦４逡逑图３－２邋－阶发散临界速度与刚性壁面高度的变化关系逡逑上面仅定性地给出了系统出现的发散失稳，但未对颤振失稳进行分析。下面针对逡逑系统（３－３２）的稳定性，采用特征值分析方法进行定量分析，Ｗ验证上述定性结论。逡逑首先，引入如下的坐标变换逡逑Ｘ邋二（义｜

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本文编号：2779677