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管道空腔流声耦合振荡及压电振子流动控制技术的研究

朱幼君  
【摘要】: 空腔流动问题是目前国际上空气动力学领域的一个研究热点。首先,空腔流动是航空工程实际中常遇到的问题,具有很高的工程应用价值,如飞行器的起落架舱、武器舱在高速气流作用下,会产生剧烈的流激振荡;此外,低速气流或水流也能激励腔形结构产生共振和声辐射。其次,由于空腔流动是典型的声-涡干涉、非定常流和流体动力不稳定性问题,因而具有广泛的理论研究意义。因此,研究空腔振荡机理,正确预测振荡的物理特性参数,并在此基础上探讨空腔降噪,不仅具有实际应用价值,也具有重要的理论意义。 本论文基于热线风速仪和壁面动态压力传感器测量,研究了管道空腔剪切层自激振荡非定常流动特性,对空腔剪切层扰动规律、管道声学模态对腔口旋涡结构的干涉规律进行了研究,重点探讨了管道声学驻波模态与剪切层自激振荡模态的耦合关系。 发展了用于湍流拟序结构分析的本征正交分解技术,并运用于管道空腔壁面脉动压力场的分析中,获得了空腔剪切层流激振荡及与管道声学模态耦合共振时壁面压力脉动的正交分解空间模式。研究了压电式悬臂梁振子的动、静态位移响应和固有频率,设计了用于抑制空腔振荡的压电振子式扰流器,验证了压电振子扰流器对空腔流激振荡的抑制效果,对压电振子几何参数、激励频率等参数对振荡抑制的影响进行了讨论。 首先设计并建立了用于空腔流激振荡研究的低湍流度消声风洞实验平台。设计了用于消声风洞的扩散-消声一体化新型结构,解决了在消声段既能有效消除动力段噪声又能降低流动损失的问题,为开展空腔流激振荡的研究提供了基础。 利用该实验平台,本文进行了壁面线列动态压力测量和剪切层热线实验,对不同几何结构和来流速度下的管道空腔流激振荡进行了实验研究,归纳了剪切层自激振荡频谱特性,探讨了空腔剪切层自激振荡机理。基于不同空腔结构下的壁面脉动压力实验结果,对预测流动诱导空腔剪切层振荡频率的方程作了合理改进,得到低速空腔流激振荡频域预测公式,提高了空腔剪切层自激振荡频率的预测精度。 此外,还分析了空腔剪切层旋涡特性,讨论了剪切层时均速度分布、剪切层厚度、剪切层速度脉动随空腔长度和深度比值的变化。在预测风洞声学模态振荡频率的基础上,建立了管道声学驻波模态与剪切层自激振荡模态的耦合模型。 本文扩展了本征正交分解技术在壁面脉动压力场中的应用,分别建立了在时-空域和频-空域上抽取空间信息的本征正交分解时域分析和频域分析,获得了空腔振荡本征正交分解各阶模态的空间分布形式。研究结果表明当管道空腔剪切层流激振荡与风洞声学模态耦合共振时,壁面压力脉动的本征一阶模态表征的是周期性的声学模态,且声学模态不是沿空腔长度方向的模态。此外,频域下的本征正交分解比时域下的分解收敛更快,低阶模态重构的压力场信息比时域分解下更加全面。 最后,基于所建立的振荡预测模型,本文利用双晶压电振子进行空腔振荡抑制方法的研究。建立了双晶压电振子动态响应解析模型,并进行了悬臂梁式双晶压电振子有限元仿真,分析了双晶梁结构的动、静态位移响应和共振频率。在此基础上设计了用于抑制空腔振荡的压电振子扰流器,并用于抑制空腔流激振荡,实验结果表明所设计的压电振子扰流器可以有效地降低流激振荡压力脉动峰值,进而得到了压电振子几何参数、激励频率等对振荡抑制特性的影响规律。


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