基于流固耦合的水翼渦激振動數(shù)值研究.pdf

1、近些年，隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，水面艦艇和潛艇航速得到極大提升，水彈性振動對船體強度以及疲勞壽命產(chǎn)生的影響已引起了造船界的廣泛關(guān)注。減搖鰭、水翼艇中的水翼，潛艇中的舵翼等艦艇中的翼型結(jié)構(gòu)部件，如若設(shè)計不當(dāng)，在流場中高速運動時將會產(chǎn)生有害的渦激顫振，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此利用水彈性的研究結(jié)果分析粘性流體通過翼型振蕩物的振動問題具有重要意義。
　　水翼振動是典型的水彈性問題，是水動力學(xué)和彈性力學(xué)的交叉學(xué)科，要考慮水動力、彈性力和慣性力三

2、種力的耦合作用，把水動力方程和彈性力學(xué)方程耦合起來求解。以理論系統(tǒng)較為成熟的氣動彈性力學(xué)入手，推導(dǎo)出二維水翼的Theodorsen理論解進而求解理論的水彈性不穩(wěn)定邊界，然而二維理論模型是在薄翼、勢流理論等簡化條件下求得的，難以滿足工程需要。隨著計算模型的復(fù)雜化、以及計算方法和硬件設(shè)施的提升，數(shù)值仿真逐漸成為主流。數(shù)值方法包括非耦合方法、弱耦合和強耦合等，常用的處理方法有直接對水翼結(jié)構(gòu)進行雙向流固耦合計算，得到時域上的振動情況，這種方法的

3、缺點是計算成本大，且對動網(wǎng)格的處理方法上要求很高。然而水翼作為剛體，在水中的振動幅度并不是很大，對流場的影響十分有限，因此目前的處理方式主要集中在非耦合方法的單向流固耦合，即在流場中計算出水動力等結(jié)果，代入到結(jié)構(gòu)中求解，如對水翼的非定常計算能夠得出壁面上的脈動壓力，可用于求解結(jié)構(gòu)的振動或水動力噪聲，這是一種忽略結(jié)構(gòu)變形對流場影響的單向耦合方法。
　　本文以水翼結(jié)構(gòu)為研究對象，首先，對二維翼段的水動力進行理論分析，基于非線性近似理論

4、，推導(dǎo)出薄翼在不可壓縮、無粘流的Theodorsen非定常模型，可以得出二自由度翼型廣義力與廣義位移之間的代數(shù)關(guān)系，代入剛體運動學(xué)方程，可直接求出二維翼水彈性不穩(wěn)定邊界條件。
　　其次，基于二維水翼的理論解對流固耦合作用下水翼的振動進行了數(shù)值模擬研究，利用大渦模擬方法計算高雷諾數(shù)下水翼繞流場，流場力作用于二自由度剛體上導(dǎo)致周期性的垂蕩和轉(zhuǎn)動，龍格庫塔法求解剛體水翼的運動方程，位移參數(shù)作為下一時間步流場計算的邊界條件，具體通過編譯自

5、定義函數(shù)控制剛體運動和流場網(wǎng)格變化。探討了初始攻角、剛心位置以及來流速度對水翼振動的影響，發(fā)現(xiàn)在來流速度增大至某一數(shù)值時水翼發(fā)生了顫振現(xiàn)象，并在時域與頻域上對顫振的發(fā)生機理進行了深入的探討。
　　然后以三維水翼結(jié)構(gòu)為對象，分析了三維水翼結(jié)構(gòu)在流體結(jié)構(gòu)耦合作用下的振動情況，分別對比計算了單向和雙向流固耦合作用下，水翼在不同攻角以及來流速度中的變形以及振動。
　　最后對潛艇圍殼結(jié)構(gòu)進行振動和噪聲分析，先對有圍殼舵和無圍殼舵的指揮