机翼气动弹性湍流数值模拟和阵风响应功率谱法

论文摘要

颤振和抖振基本涵盖了大型商用和民用飞机的基本气动弹性问题。对这类问题的研究可以直接应用于大型民航客机的颤振和阵风响应设计分析。Theodorsen函数建立于势流不可压缩理论假定，适用于小变形二维流动，是机翼气动弹性问题仅有的几个解析求解工具之一。对于现代后掠超临界翼型和翼尖设计，Theodorsen函数不再适用。随着计算技术的发展，CFD已经成为空气动力学的有力工具。针对此类流固耦合问题，孙东科等提出基于高斯-赛德尔算法的通用解法及其在CFD求解中相关网格控制算法。本文目的之一在于验证这一系列方法在机翼气动弹性方面的适用性；目的之二是在颤振导数数值求解基础上，用虚拟激励法求解机翼的阵风响应。为此本文首次使用雷诺平均湍流模型求解了二维翼型截面的颤振导数。所采用的流固耦合分析方法可以潜在用于求解各种流动条件，包括跨音速和超音速下气动弹性问题，Delta翼等三维翼型的颤振分析。本文采用CFD数值风洞，计算结构简谐运动下的气动力，识别湍流场中NACA0012翼型的颤振导数。结果表明：本文得到的颤振导数与Theodorsen理论值趋向一致；个别颤振导数上存在的差异是由于在数值方法中考虑了粘性，且所选翼型具有一定的厚度。这与Theodorsen所假设的二维势流、小扰动和理想平板等假设有本质不同。这种差异会随着流动条件的变化和三维效应的介入而逐渐增大，说明数值方法具有更宽广的应用范围。比较了不同振幅与振动周期下识别的颤振导数，以验证小扰动假设的使用范围。适当增加振动周期下的颤振导数更准确。减小强迫振动振幅使振动更趋向于小变形后，颤振导数更趋向于Theodorsen解。在上述颤振导识别的基础上，同时考虑竖向阵风的作用，本文进一步研究了复合材料二维机翼的大气紊流响应。采用高效精确的虚拟激励法将大气紊流响应计算转换为简谐阵风激励下结构的响应问题。算法可自动包括多振型之间的耦合效应和激励间的不完全相关性。在具有自主产权的DDJ程序平台上编制了计算程序。计算时间和结果表明，在处理二维机翼在大气紊流响应的随机问题中，虚拟激励法可以快速准确求解航空结构、复杂多自由度体系大气紊流作用的随机响应问题。结合基于湍流模拟的数值风洞和虚拟激励算法，本文提供了求解一个计算大翼展飞机颤振和大气紊流响应的计算平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 本文的主要工作
• 2 二维薄翼的非定常气动力
• 2.1 引言
• 2.2 片条理论
• 2.3 颤振
• 2.4 结构运动产生非定常气动力
• 2.4.1 Wagner函数
• 2.4.2 Theodorsen函数的升力表达式
• 2.5 阵风载荷
• 2.5.1 阵风场诱导产生的非定常气动力
• 2.5.2 简谐阵风的气动力
• 2.6 小结
• 3 颤振导数识别
• 3.1 引言
• 3.2 流固耦合算法
• 3.3 网格控制
• 3.4 湍流模型
• 3.5 颤振导数及其识别
• 3.5.1 颤振导数
• 3.5.2 颤振导数的识别
• 3.6 NACA0012翼型颤振导数的识别
• 3.7 小结
• 4 机翼的阵风响应
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟激励法
• 4.2.1 平稳随机激励
• 4.2.2 非平稳随机激励
• 4.2.3 虚拟激励法的特点
• 4.3 大气紊流
• 4.3.1 大气紊流速度
• 4.3.2 大气紊流的频谱特性
• 4.3.3 大气紊流的空间频谱和时间频谱
• 4.4 阵风气动力作用下机翼的振动分析
• 4.5 复合材料机翼的阵风响应功率谱法
• 4.6 算例
• 4.7 小结
• 结论
• 研究工作总结
• 研究工作展望
• 参考文献
• 附录A 八个颤振导数图表
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢