超音速進(jìn)氣道流固耦合振動研究.pdf

1、隨著超音速飛行器的發(fā)展，人們對進(jìn)氣道設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為了提高發(fā)動機(jī)推重比，提升飛行器性能，逐漸采用薄壁彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)氣道。這使得進(jìn)氣道薄壁彈性壁板流固耦合問題日益突出。但傳統(tǒng)的進(jìn)氣道剛性設(shè)計(jì)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(jìn)氣道流固耦合問題。目前，關(guān)于超音速進(jìn)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(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)的情形，而關(guān)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

2、景，本文采用流固耦合方法，研究了超音速進(jìn)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(fù)雜性，論文根據(jù)由淺入深的原則，首先將進(jìn)氣道流固耦合問題分解為三個獨(dú)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(chǔ)上，以某沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)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(yàn)方法研究某沖壓

3、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)非定常流動現(xiàn)象，驗(yàn)證本文仿真建模方法。本文相關(guān)研究工作如下：
　　一、建立了描述進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型能準(zhǔn)確地描述穩(wěn)態(tài)激波-邊界層作用穩(wěn)態(tài)流動

4、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(jìn)氣道內(nèi)流動。并且，激波振蕩現(xiàn)象對進(jìn)氣道壁面形成復(fù)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(jìn)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(shí)際激波振蕩激勵作用下的非線性振動響應(yīng)。研究表明，馮·卡門幾何非線性會引起進(jìn)氣道彈性壁板振動響應(yīng)出現(xiàn)非線性“跳躍”現(xiàn)象，導(dǎo)致振動響應(yīng)存在雙重解區(qū)域，使

5、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(dǎo)致激勵頻率輕微變化時壁板振動響應(yīng)大幅增加，不利于進(jìn)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(jìn)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(yīng)變時間步長特征的流固耦合算法，并對比了三種自適應(yīng)準(zhǔn)則對耦合結(jié)果的影響。結(jié)果表明，采用流固耦合界面振動速度自適

6、應(yīng)準(zhǔn)則時，自適應(yīng)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(jī)二元矩形進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)氣道流固耦合作用進(jìn)入靜平衡狀態(tài)；而發(fā)生

7、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(dāng)進(jìn)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(jī)二元矩形進(jìn)氣道模型，進(jìn)行了進(jìn)氣道壓力脈動試驗(yàn)研究，分析了來流馬赫數(shù)、攻角和出口背壓對進(jìn)氣道內(nèi)流動的影響，部分驗(yàn)證了本文流動

8、建模方法和分析過程。其中，進(jìn)氣道臨界壓比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合；而超臨界工況下進(jìn)氣道壓力脈動頻率仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，壓力脈動幅值結(jié)果存在一定誤差。
　　綜上所述，本文基于數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法，研究了沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)超音速飛行器進(jìn)氣道彈性設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。