基于流固耦合的水翼涡激振动数值研究

摘要

近些年，随着船舶行业的发展，水面舰艇和潜艇航速得到极大提升，水弹性振动对船体强度以及疲劳寿命产生的影响已引起了造船界的广泛关注。减摇鳍、水翼艇中的水翼，潜艇中的舵翼等舰艇中的翼型结构部件，如若设计不当，在流场中高速运动时将会产生有害的涡激颤振，甚至导致结构的破坏。因此利用水弹性的研究结果分析粘性流体通过翼型振荡物的振动问题具有重要意义。
　　水翼振动是典型的水弹性问题，是水动力学和弹性力学的交叉学科，要考虑水动力、弹性力和惯性力三种力的耦合作用，把水动力方程和弹性力学方程耦合起来求解。以理论系统较为成熟的气动弹性力学入手，推导出二维水翼的Theodorsen理论解进而求解理论的水弹性不稳定边界，然而二维理论模型是在薄翼、势流理论等简化条件下求得的，难以满足工程需要。随着计算模型的复杂化、以及计算方法和硬件设施的提升，数值仿真逐渐成为主流。数值方法包括非耦合方法、弱耦合和强耦合等，常用的处理方法有直接对水翼结构进行双向流固耦合计算，得到时域上的振动情况，这种方法的缺点是计算成本大，且对动网格的处理方法上要求很高。然而水翼作为刚体，在水中的振动幅度并不是很大，对流场的影响十分有限，因此目前的处理方式主要集中在非耦合方法的单向流固耦合，即在流场中计算出水动力等结果，代入到结构中求解，如对水翼的非定常计算能够得出壁面上的脉动压力，可用于求解结构的振动或水动力噪声，这是一种忽略结构变形对流场影响的单向耦合方法。
　　本文以水翼结构为研究对象，首先，对二维翼段的水动力进行理论分析，基于非线性近似理论，推导出薄翼在不可压缩、无粘流的Theodorsen非定常模型，可以得出二自由度翼型广义力与广义位移之间的代数关系，代入刚体运动学方程，可直接求出二维翼水弹性不稳定边界条件。
　　其次，基于二维水翼的理论解对流固耦合作用下水翼的振动进行了数值模拟研究，利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场，流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动，龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程，位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件，具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响，发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象，并在时域与频域上对颤振的发生机理进行了深入的探讨。
　　然后以三维水翼结构为对象，分析了三维水翼结构在流体结构耦合作用下的振动情况，分别对比计算了单向和双向流固耦合作用下，水翼在不同攻角以及来流速度中的变形以及振动。
　　最后对潜艇围壳结构进行振动和噪声分析，先对有围壳舵和无围壳舵的指挥台结构分别进行了模态分析，然后计算了在点激振力作用下的振动和声辐射功率，并计算了在水动力脉动压力作用下的振动和远场声辐射。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪 论

1.1水翼振动研究的背景和意义

1.2国内外研究综述

1.3本文的主要工作内容

第二章 二维水翼涡激振动的理论研究

2.1薄翼理论

2.2 Theodorsen理论

2.3典型翼剖面运动方程

2.4颤振行列式求解

2.5算例

2.6本章小结

第三章 基于CFD的二维水翼涡激振动数值模拟

3.1流体计算模型

3.2水翼的结构动力学模型

3.3流固耦合界面设置

3.4计算结果及分析

3.5本章小结

第四章 三维水翼的耦合结构振动

4.1流固耦合问题的基本理论

4.2单向流固耦合

4.3双向流固耦合

4.4本章小结

第五章 潜艇围壳舵结构对指挥台振动以及声辐射的影响

5.1动力学有限元方程

5.2围壳结构的模态分析

5.3模型受点激振的声辐射

5.4流激噪声的计算结果与分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文

攻读硕士期间参与科研项目