高速氣流作用下沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壁板結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究.pdf

1、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由壁板結(jié)構(gòu)構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本文針對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁板結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈的問題，從流體結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)和流動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)迫振動(dòng)的角度，利用非線性動(dòng)力學(xué)、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)分析的手段進(jìn)行了研究。
　　首先，針對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以壁板為主要結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，使用簡(jiǎn)化的氣動(dòng)力理論，建立了彈性壁板結(jié)構(gòu)在超聲速氣流作用下的非線性顫振方程，并考慮粘彈材料的減振特性，將Kelvin粘彈阻尼考慮到壁板顫振方

2、程中。通過數(shù)值模擬，分析了粘彈結(jié)構(gòu)在超聲速氣流作用下的穩(wěn)定性、顫振、滯后等問題。研究表明顫振系統(tǒng)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，存在屈曲、極限環(huán)、概周期以及混沌等失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)形式。粘彈阻尼使得系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域減小，并且可以抑制混沌運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)，而阻尼耗散也抑制了顫振頻率突跳現(xiàn)象。
　　其次，從結(jié)構(gòu)與流體完全耦合角度出發(fā)，研究了流固耦合數(shù)值模擬涉及到的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格方法和耦合計(jì)算方法。對(duì)基于彈簧模擬的動(dòng)網(wǎng)格方法加以改進(jìn)，通過尺度因子的加入使動(dòng)網(wǎng)格方法更好地適

3、應(yīng)結(jié)構(gòu)大變形問題。針對(duì)流固耦合數(shù)值計(jì)算弱耦合方法的穩(wěn)定性問題，通過基于線性預(yù)測(cè)、樣條插值預(yù)測(cè)校正方法和子循環(huán)方法使流固耦合問題的數(shù)值模擬更加穩(wěn)定，同時(shí)將計(jì)算耗費(fèi)保持在較低水平。
　　然后，針對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通道內(nèi)流動(dòng)以及通道為彈性壁板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用改進(jìn)的耦合計(jì)算方法數(shù)值研究了由彈性壁板構(gòu)成的通道中有超聲速氣流通過時(shí)壁板結(jié)構(gòu)的顫振特性。以通道高度和動(dòng)壓系數(shù)為參數(shù)的研究結(jié)果表明，通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)壁板顫振特性與外流壁板顫振特性有所不同，其穩(wěn)定

4、邊界小于外流壁板顫振穩(wěn)定邊界。隨著通道高度的降低，壁板振動(dòng)與超聲速氣流之間的耦合加強(qiáng)，顫振頻率與顫振幅值均有升高，出現(xiàn)顫振頻率的高階倍頻，壁板顫振形式失去對(duì)稱性，出現(xiàn)了極限環(huán)運(yùn)動(dòng)、概周期運(yùn)動(dòng)等形式。隨著動(dòng)壓系數(shù)的增大，壁板從穩(wěn)定向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變，顫振幅值與顫振頻率均升高，其規(guī)律與外流壁板顫振特性類似。
　　通過分析激波與膨脹波在超聲速流動(dòng)通道內(nèi)的傳播與反射，表明擾動(dòng)的二次影響是導(dǎo)致彈性通道壁板顫振區(qū)別于外流壁板顫振的原因。隨著通道高度

5、的降低，振動(dòng)的壁板表面產(chǎn)生激波、壓縮波與膨脹波，其在通道上下壁板間的反射二次作用于顫振壁板，增強(qiáng)了壁板上的氣動(dòng)載荷，使得耦合增強(qiáng)。當(dāng)高度降低到一定程度時(shí)，由于擾動(dòng)間相互干擾的增強(qiáng)，導(dǎo)致壁板顫振行為更加復(fù)雜。
　　另外，考慮到阻尼減振的特性，文中還對(duì)通道壁板在阻尼作用下的顫振問題進(jìn)行了數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn)瑞利阻尼作用下的壁板顫振幅值和頻率遠(yuǎn)小于無阻尼壁板顫振。隨著阻尼的增大，高階倍頻響應(yīng)消失，極限環(huán)振動(dòng)從非對(duì)稱轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱形式。結(jié)果表明

6、阻尼是抑制顫振的有效方法。
　　除了可能出現(xiàn)的耦合振動(dòng)以外，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中流動(dòng)激勵(lì)也非常復(fù)雜，其引發(fā)的強(qiáng)迫振動(dòng)以及共振可造成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)破壞。為了解流動(dòng)激勵(lì)特性，本文研究了某沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道模型的動(dòng)力特性及其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果表明進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其模態(tài)頻率密集，模態(tài)振型復(fù)雜，發(fā)生共振的可能性增大。進(jìn)氣道中的流動(dòng)與出口壓力（燃燒室壓力）密切相關(guān)，出口壓力的增大，可能導(dǎo)致激波被推出喉道，引起進(jìn)氣道不啟動(dòng)。
　　研究了進(jìn)氣道中流動(dòng)

7、的自激振蕩現(xiàn)象、下游壓力脈動(dòng)引起的強(qiáng)迫振蕩以及兩者間的耦合。結(jié)果表明了振蕩現(xiàn)象的非線性性質(zhì)，聲模態(tài)頻率引起的自激振蕩。強(qiáng)迫振蕩與自激振蕩的耦合引起更復(fù)雜的非線性振蕩現(xiàn)象。而振蕩頻率范圍與結(jié)構(gòu)固有頻率范圍重合，會(huì)引起壁板結(jié)構(gòu)共振。
　　本文還對(duì)實(shí)際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在冷吹與熱試車試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明熱試車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)水平高于冷吹振動(dòng)。冷吹時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要受到湍流脈動(dòng)壓力的激振，而熱試車時(shí)噴油壓力脈動(dòng)引起燃燒脈動(dòng)，影響發(fā)