基于流固耦合的水翼渦激振動(dòng)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(dòng)對船體強(qiáng)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(jì)不當(dāng)，在流場中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)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(dòng)問題具有重要意義。
　　水翼振動(dòng)是典型的水彈性問題，是水動(dòng)力學(xué)和彈性力學(xué)的交叉學(xué)科，要考慮水動(dòng)力、彈性力和慣性力三

2、種力的耦合作用，把水動(dòng)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(dòng)彈性力學(xué)入手，推導(dǎo)出二維水翼的Theodorsen理論解進(jìn)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(jì)算模型的復(fù)雜化、以及計(jì)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(qiáng)耦合等，常用的處理方法有直接對水翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，得到時(shí)域上的振動(dòng)情況，這種方法的

3、缺點(diǎn)是計(jì)算成本大，且對動(dòng)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(dòng)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(jì)算出水動(dòng)力等結(jié)果，代入到結(jié)構(gòu)中求解，如對水翼的非定常計(jì)算能夠得出壁面上的脈動(dòng)壓力，可用于求解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或水動(dòng)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(dòng)力進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，利用大渦模擬方法計(jì)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(dòng)，龍格庫塔法求解剛體水翼的運(yùn)動(dòng)方程，位移參數(shù)作為下一時(shí)間步流場計(jì)算的邊界條件，具體通過編譯自

5、定義函數(shù)控制剛體運(yùn)動(dòng)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(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)在來流速度增大至某一數(shù)值時(shí)水翼發(fā)生了顫振現(xiàn)象，并在時(shí)域與頻域上對顫振的發(fā)生機(jī)理進(jìn)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(dòng)情況，分別對比計(jì)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(dòng)。
　　最后對潛艇圍殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)和噪聲分析，先對有圍殼舵和無圍殼舵的指揮