本文關鍵詞：超音速進氣道流固耦合振動研究

  更多相關文章： 彈性進氣道 激波-邊界層作用 自激振蕩 背壓擾動 流固耦合

【摘要】：隨著超音速飛行器的發(fā)展,人們對進氣道設計提出了更高的要求。為了提高發(fā)動機推重比,提升飛行器性能,逐漸采用薄壁彈性結構設計進氣道。這使得進氣道薄壁彈性壁板流固耦合問題日益突出。但傳統(tǒng)的進氣道剛性設計方法不適合描述這類現(xiàn)象。因而需要采用流固耦合方法分析彈性進氣道流固耦合問題。目前,關于超音速進氣道流固耦合作用的研究報道較少。已有的研究多涉及耦合作用進入靜止狀態(tài)的情形,而關于激波大幅振蕩引起的流固耦合作用研究則鮮有報道。基于上述背景,本文采用流固耦合方法,研究了超音速進氣道內(nèi)激波-邊界層作用引起的非定常流動與彈性壁板非線性振動之間的耦合作用。鑒于多物理場分析的復雜性,論文根據(jù)由淺入深的原則,首先將進氣道流固耦合問題分解為三個獨立問題:非定常流動問題,非線性振動問題和流固耦合算法問題,并針對簡化研究對象,對這三個問題分別研究。在此基礎上,以某沖壓發(fā)動機進氣道為對象,研究激波-邊界層作用引起的非定常流動和彈性壁板非線性振動之間的耦合問題。最后,通過試驗方法研究某沖壓發(fā)動機進氣道內(nèi)非定常流動現(xiàn)象,驗證本文仿真建模方法。本文相關研究工作如下:一、建立了描述進氣道內(nèi)激波-邊界層作用的跨音速流動模型,提出了通過修正入口湍流參數(shù)來提高激波-邊界層作用求解精度的方法和通過背壓擾動觸發(fā)來提高激波-邊界層作用自激振蕩求解速度的方法,研究了湍流模型、入口湍流參數(shù)和出口背壓擾動對簡化進氣道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動和非定常流動的影響。研究表明,修正入口湍流參數(shù)后的標準k-ω湍流模型能準確地描述穩(wěn)態(tài)激波-邊界層作用穩(wěn)態(tài)流動和非定常流動。而背壓擾動則通過非線性“頻率捕捉”現(xiàn)象影響進氣道內(nèi)流動。并且,激波振蕩現(xiàn)象對進氣道壁面形成復雜激勵,包括振蕩區(qū)域內(nèi)的行波激勵和其下游區(qū)域的簡諧激勵。二、基于馮·卡門幾何非線性理論,建立了描述進氣道彈性壁板非線性振動的有限元模型,分析了彈性壁板在簡諧激勵、行波激勵和實際激波振蕩激勵作用下的非線性振動響應。研究表明,馮·卡門幾何非線性會引起進氣道彈性壁板振動響應出現(xiàn)非線性“跳躍”現(xiàn)象,導致振動響應存在雙重解區(qū)域,使得振動狀態(tài)取決于激勵加載歷史。另外,非線性“跳躍”還可能導致激勵頻率輕微變化時壁板振動響應大幅增加,不利于進氣道彈性壁板振動控制。但通過降低激勵幅值的方式可以有效削弱非線性“跳躍”,而增加壁板阻尼則可以抑制非線性“跳躍”。三、建立了描述進氣道非定常流動與彈性壁板非線性振動之間耦合作用的分區(qū)流固耦合模型,提出了具有自適應變時間步長特征的流固耦合算法,并對比了三種自適應準則對耦合結果的影響。結果表明,采用流固耦合界面振動速度自適應準則時,自適應變時間步長耦合算法能夠在保證分析精度的前提下,提高分區(qū)流固耦合求解速度。四、基于前述三類數(shù)值模型和分析方法,研究了某亞燃沖壓發(fā)動機二元矩形進氣道內(nèi)非定常流動現(xiàn)象,及其與彈性壁板振動之間的耦合作用。研究表明,激波-邊界層作用自激振蕩和背壓擾動引起的流固耦合狀態(tài)并不相同。當進氣道出口背壓恒定時,流固耦合狀態(tài)受是否發(fā)生激波-邊界層作用自激振蕩現(xiàn)象影響:在不發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象時,進氣道流固耦合作用進入靜平衡狀態(tài);而發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象時,流固耦合作用還受壁板阻尼影響。其中,無壁板阻尼或阻尼較小時,流固耦合作用為顫振狀態(tài);而較大阻尼時為靜平衡狀態(tài)。當進氣道出口存在背壓擾動時,彈性壁板流固耦合振動只存在受擾動狀態(tài)。通過增加彈性壁板阻尼和降低背壓擾動幅值的方式可以有效削弱此時的壁板振動幅值和激波振蕩幅值。五、針對某亞燃沖壓發(fā)動機二元矩形進氣道模型,進行了進氣道壓力脈動試驗研究,分析了來流馬赫數(shù)、攻角和出口背壓對進氣道內(nèi)流動的影響,部分驗證了本文流動建模方法和分析過程。其中,進氣道臨界壓比仿真結果與試驗結果吻合;而超臨界工況下進氣道壓力脈動頻率仿真結果與試驗結果基本吻合,壓力脈動幅值結果存在一定誤差。綜上所述,本文基于數(shù)值仿真和試驗方法,研究了沖壓發(fā)動機進氣道內(nèi)非定常流動與彈性壁板非線性振動之間的耦合作用;建立了進氣道流動模型、非線性振動模型和流固耦合模型;分析了各類因素對進氣道非定常流動及其流固耦合作用的影響規(guī)律。本研究可對先進超音速飛行器進氣道彈性設計提供技術參考。
【關鍵詞】：彈性進氣道 激波-邊界層作用 自激振蕩 背壓擾動 流固耦合
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V211.48
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-32
• 1.1 研究背景和意義15-16
• 1.2 進氣道彈性設計研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.1 進氣道變幾何彈性設計16-19
• 1.2.2 進氣道抽吸結構彈性設計19-22
• 1.3 跨音速非定常流動激勵研究現(xiàn)狀22-30
• 1.3.1 自激振蕩引起的非定常流動22-26
• 1.3.2 燃燒室擾動引起的非定常流動26-30
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容30-32
• 第2章 進氣道非定常流動激勵研究32-66
• 2.1 引言32
• 2.2 進氣道流動建模32-36
• 2.2.1 幾何模型及流動控制方程32-34
• 2.2.2 數(shù)值求解方法34-36
• 2.3 進氣道穩(wěn)態(tài)流動分析36-41
• 2.3.1 湍流模型對穩(wěn)態(tài)流動的影響36-39
• 2.3.2 修正入口湍流參數(shù)方法39-41
• 2.4 進氣道自激振蕩流動分析41-55
• 2.4.1 背壓擾動觸發(fā)加速求解方法41-43
• 2.4.2 湍流模型對自激振蕩的影響43-51
• 2.4.3 入口湍流參數(shù)的影響51-55
• 2.5 燃燒室壓力擾動時進氣道流動分析55-63
• 2.5.1 受迫振蕩求解設置56
• 2.5.2 湍流模型對受迫振蕩的影響56-60
• 2.5.3 出口擾動參數(shù)的影響60-63
• 2.6 本章小結63-66
• 第3章 進氣道壁板非線性振動響應研究66-93
• 3.1 引言66
• 3.2 進氣道結構非線性振動建模66-72
• 3.2.1 壁板振動控制方程66-69
• 3.2.2 有限元單元類型的影響69-72
• 3.3 簡諧激勵作用下非線性響應分析72-80
• 3.3.1 壁板振動幅值非線性跳躍73-77
• 3.3.2 非線性幅值跳躍的影響因素77-80
• 3.4 行波激勵作用下非線性響應分析80-87
• 3.4.1 行波激勵下壁板響應特點80-83
• 3.4.2 非線性幅值跳躍及其影響因素83-87
• 3.5 移動激波載荷作用下非線性響應分析87-91
• 3.6 本章小結91-93
• 第4章 自適應變時間步長流固耦合算法研究93-132
• 4.1 引言93
• 4.2 自適應變時間步長流固耦合算法93-97
• 4.2.1 分區(qū)耦合算法94-96
• 4.2.2 自適應變時間步長方法96-97
• 4.3 無粘超音速流動壁板顫振算例驗證97-106
• 4.3.1 幾何模型及結果98-101
• 4.3.2 流動等效阻尼效應101-103
• 4.3.3 自適應變時間步長的影響103-106
• 4.4 自激振蕩流動時進氣道振動算例驗證106-113
• 4.5 背壓擾動時進氣道振動算例驗證113-129
• 4.5.1 結構阻尼的影響114-121
• 4.5.2 擾動頻率及幅值的影響121-129
• 4.6 本章小結129-132
• 第5章 沖壓發(fā)動機二元進氣道流固耦合作用研究132-178
• 5.1 引言132
• 5.2 進氣道穩(wěn)態(tài)流動及結構模態(tài)132-139
• 5.2.1 進氣道穩(wěn)態(tài)流動132-139
• 5.2.2 進氣道結構模態(tài)139
• 5.3 自激振蕩時沖壓發(fā)動機進氣道振動139-155
• 5.3.1 自激振蕩時進氣道非定常流動分析140-146
• 5.3.2 自激振蕩流動時進氣道流固耦合分析146-155
• 5.4 背壓擾動時沖壓發(fā)動機進氣道振動155-175
• 5.4.1 背壓擾動時進氣道非定常流動分析155-166
• 5.4.2 背壓擾動時進氣道流固耦合分析166-175
• 5.5 本章小結175-178
• 第6章 沖壓發(fā)動機二元進氣道壓力脈動試驗178-187
• 6.1 引言178
• 6.2 進氣道模型簡介178-179
• 6.3 壓力脈動試驗方法及步驟179-180
• 6.4 壓力脈動數(shù)據(jù)分析及對比180-186
• 6.4.1 超臨界工況181-183
• 6.4.2 臨界工況183-186
• 6.5 本章小結186-187
• 結論187-189
• 參考文獻189-200
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文200-202
• 致謝202-203
• 個人簡歷203

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本文編號：1025593