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《北京理工大学》 2016年
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弹性水翼非定常空化流激振动特性研究

高远  
【摘要】:空化是发生在水力机械、水下航行体等领域中的常见现象,空化流动中发生着空穴的生成、发展和脱落溃灭,具有明显的非定常特征,伴随着复杂的水动力载荷变化。随着复合材料等低刚度弹性材料在水力机械等领域中的应用,结构会在流体载荷的作用下发生流激振动,影响结构的性能、安全等,同时对流场造成影响。当结构处于非定常空化流动中时,这一现象会更加明显,此时需要研究弹性结构非定常空化流激振动特性。本文采用实验和数值计算方法,针对弹性水翼非定常空化流激振动特性,研究了不同空化阶段下的流动发展规律,弹性水翼流激振动规律及其对流场的影响等,主要研究成果及结论如下:建立了一套适用于弹性水翼非定常空化流激振动研究的研究方法。实验方面建立了多场同步实验测量系统,实现了空穴形态和水翼振动数据的实时同步测量。数值计算方面发展了基于二自由度水翼的流固耦合计算方法,实现了空化流场结构和水翼振动的数值模拟。研究结果表明,在初生空化阶段,空化的发展具有较强的随机性,水翼尾缘存在规律的涡脱落现象。弹性水翼在弯曲和扭转变形基础上发生流激振动,振动速度和位移均随时间高频变化。振动包含前三阶固有频率振动和尾缘涡脱落诱发的振动。该阶段弹性水翼升力系数的时均值相比刚性水翼略有增大,升力振荡频率略有改变。在片状空化阶段,空穴主体附着在水翼前缘吸力面上,尾部不断发生着准周期性的小尺度空泡脱落现象。水翼振动强度增大,振动包含一阶固有频率振动和小尺度空泡脱落诱发的振动。水翼的弯曲和扭转振动状态主要随空化发展过程改变。该阶段弹性水翼升力系数的时均值大于刚性水翼,升力在小尺度空泡脱落时发生小幅振荡。在云状空化阶段,空化发展更加剧烈并呈现准周期性的发展过程,一个周期可分为附着型空穴发展-空穴脉动-空穴脱落三个阶段。水翼流激振动强度进一步增大,其振动主频对应着云状空化的发展频率,水翼振动位移主要受云状空化发展过程的影响,在空化发展的不同阶段振动速度和位移表现出不同的变化特征。水翼变形与振动导致弹性水翼的水动力特性与刚性水翼有较大区别,同时影响了空化发展过程和流场结构。
【关键词】:弹性水翼 非定常空化 流激振动
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O35
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-17
  • 1.1 研究背景10-11
  • 1.2 空化流动研究现状11-14
  • 1.3 流激振动研究现状14-16
  • 1.4 本文的主要研究内容16-17
  • 第2章 研究方法17-43
  • 2.1 实验设备及方法17-26
  • 2.1.1 空化水洞与实验段17-19
  • 2.1.2 空穴形态采集方法19-22
  • 2.1.3 振动测量方法22-24
  • 2.1.4 实验数据处理方法24-26
  • 2.2 数值计算方法26-37
  • 2.2.1 弹性水翼动力学计算方法27-31
  • 2.2.2 空化流场计算方法31-36
  • 2.2.3 流固耦合计算方法的实现36-37
  • 2.3 流激振动研究方法37-42
  • 2.3.1 流激振动理论分析37-38
  • 2.3.2 弹性水翼湿模态研究38-42
  • 2.4 本章小结42-43
  • 第3章 弹性水翼在不同空化条件下的流激振动特性研究43-69
  • 3.1 弹性水翼初生空化流激振动特性研究43-49
  • 3.1.1 初生空化流动特性研究43-44
  • 3.1.2 弹性水翼流激振动特性研究44-49
  • 3.2 弹性水翼片状空化流激振动特性研究49-57
  • 3.2.1 片状空化流动特性研究49-51
  • 3.2.2 弹性水翼流激振动特性分析研究51-57
  • 3.3 弹性水翼云状空化流激振动特性研究57-68
  • 3.3.1 云状空化流动特性研究57-60
  • 3.3.2 弹性水翼流激振动特性研究60-68
  • 3.4 本章小结68-69
  • 第4章 总结与展望69-71
  • 4.1 本文主要结论69
  • 4.2 后续工作展望69-71
  • 参考文献71-77
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单77-78
  • 致谢78

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