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动态失速下的二维气动弹性动力学研究

2020-12-08阅读(556)

动态失速下的二维气动弹性动力学研究

论文摘要

直升机高速前飞时,桨叶的周期振荡使得其处在一个动态失速流场和柔性结构相耦合的非线性气动弹性系统中。动态失速时,动态失速涡在桨叶上形成而导致的升力过冲,严重分离而导致的升力突降,以及攻角减小时边界层的复杂再附过程使得桨叶上的气动载荷产生了很强的非线性,这样的非线性常常导致整个系统产生十分复杂的非线性气弹响应,极大限制了直升机的性能提升,所以对于动态失速下受迫振荡翼型的气弹响应的研究成为了直升机设计研究重点的关键问题。学术界对于结构非线性对气弹响应产生的影响做了很多的研究,然而气动非线性对于气弹响应的影响机制尚未研究清楚,仍需进一步探究,这其中最关键的问题包括适合的气动力模型以及准确的气弹响应非线性分析。针对以上的问题,本文对于动态失速下翼型的气动弹性问题进行了深入研究:1、基于现有的Beddoes-Leishman动态失速模型,针对动态失速的再附着阶段进行补充建模。根据再附着过程边界层具有两个不同阶段的特点,对原Beddoes-Leishman模型中量化分离点对气动载荷影响的Kirchoff方程进行了修正,获得相对原模型更为准确的动态失速气动模型,并对该模型进行了校检。同时,基于神经网络获得翼型结构位移和翼型气动载荷之间的映射关系,建立动态失速神经网络降阶模型,作为对比补充;2、进行动态失速气动弹性系统的实验探究,并对理论模型预测的气弹响应结果进行对比验证。同时,利用相空间重构及高阶谱分析对带有阻尼的气弹系统响应进行非线性分析。3、利用上述改进的气动力模型,耦合相应的气动弹性动力学系统进行气弹耦合计算,探讨了系统自然频率,马赫数以及耦合程度对于气弹响应规律的影响。其中,针对单自由度系统,探究了较高自然频率下特定自然频率-驱动频率比值下的次共振现象,并针对数值模拟流场信息提出了尾缘处反向涡系干扰不稳定性诱发次共振产生的机理。另外,探究了较低自然频率下,系统气动刚度对气弹响应的影响。针对双自由度系统,探究了耦合程度对于气弹响应的非线性影响以及受迫振荡系统中的内共振现象。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景与意义
  •   1.2 动态失速问题研究现状
  •     1.2.1 动态失速现象
  •     1.2.2 研究动态失速的模型和方法
  •   1.3 受迫振荡气弹问题研究现状
  •     1.3.1 受迫振荡气弹动力学模型简化
  •     1.3.2 受迫振荡气弹系统现象研究
  •   1.4 论文的主要内容与章节安排
  • 第二章 动态失速气弹问题计算方法
  •   2.1 弹性动力学模型建立
  •     2.1.1 问题简化及模型方程建立
  •     2.1.2 离散和时间推进方法
  •     2.1.3 气弹响应求解流程
  •   2.2 基于B-L模型改进模型的气动力模型
  •     2.2.1 B-L模型介绍
  •     2.2.2 B-L模型改进
  •     2.2.3 模型验证
  •   2.3 基于神经网络代理模型的气动力模型
  •     2.3.1 时滞神经网络模型建立
  •     2.3.2 神经网络训练及训练集获取
  •     2.3.3 模型验证
  •   2.4 基于ANSYS-FLUENT的数值模拟
  •     2.4.1 计算网格
  •     2.4.2 计算模型和动网格技术
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 动态失速气弹问题实验探究
  •   3.1 实验装置和实验方案确定
  •     3.1.1 实验装置
  •     3.1.2 实验方案
  •   3.2 实验结果对比
  •     3.2.1 静态失速升力曲线对比
  •     3.2.2 动态失速升力曲线对比
  •   3.3 非线性响应分析方法
  •     3.3.1 相空间重构
  •     3.3.2 高阶谱分析
  •   3.4 实验结果分析
  •     3.4.1 单自由度实验气弹响应分析
  •     3.4.2 双自由度实验气弹响应分析
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 动态失速气弹响应数值分析
  •   4.1 气弹计算方法验证
  •     4.1.1 实验阻尼确定
  •     4.1.2 计算结果验证
  •   4.2 单自由度气弹响应分析
  •     4.2.1 弱结构刚度下的气动刚度影响分析
  •     4.2.2 强结构刚度下的次共振现象分析
  •   4.3 双自由度气弹响应分析
  •     4.3.1 自由度间耦合程度影响分析
  •     4.3.2 来流振荡对次共振影响
  •     4.3.3 内共振现象分析
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 结束语
  •   5.1 主要工作与创新点
  •   5.2 后续研究工作
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 邱展

    导师: 王福新

    关键词: 直升机,气动弹性,动态失速,非线性,共振

    来源: 上海交通大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 力学,航空航天科学与工程

    单位: 上海交通大学

    分类号: V211.52

    DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.003443

    总页数: 103

    文件大小: 10392K

    下载量: 23

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