近壁面柔性水翼流致弯曲扭转振动特性研究

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水翼广泛应用于流体机械以及海洋船舶工程领域,如泵和水轮机的叶片、船舶的襟翼舵和减摇鳍、潜艇中的围壳舵和艏艉舵以及螺旋桨等,水翼不仅能够提供升力、推力,还可以提高船舶和潜艇的稳定性、操纵性等。传统水翼所采用的材料为铜合金,随着材料科学的发展,人们发现采用复合材料制作的水翼(即柔性水翼)相较于传统刚性水翼在水动力推进、空化效应、噪声控制等方向上具有较大的优势,但柔性水翼的变形会对其性能造成较大的影响。在实际工程中,水翼往往会受到附近固体壁面的影响,如泵、水轮机的外壳以及自主式水下潜器海底作业时下方的海底壁面等,固体壁面对柔性水翼运行效率的影响不可忽略。因此,本文针对近壁面处柔性水翼的流致弯曲扭转振动响应特性开展研究,分析了不同折减速度、翼壁距离(H)以及初始攻角(α0)对水翼弯扭振动特性的影响。本文首先研究了近壁面处刚性水翼的绕流特性,讨论了翼壁距离以及初始攻角对其水动力性能和流场结构的影响,并与自由状态下刚性水翼(即不受壁面影响的刚性水翼)的绕流特性进行对比。研究发现,翼壁距离越小,水翼的升阻比越大。当H=0.3C时,升阻比最大为2.96,较自由状态刚性翼提高了30%。初始攻角α0为10°、15°时,刚性水翼升阻力特性存在较大的波动,而α0=25°、α0=5°时,升阻力特性趋于稳定。初始攻角越大,升阻比越低,但升力系数和阻力系数都会随之增加。α0=5°时,升阻比最高为3.9,较α0=25°提升了1.15倍。尾涡模态的转变会改变水翼的升阻力,当尾涡模态为“2S”型时,水翼的升力系数标准差、时均升阻力系数、升阻比都会增加;当尾涡模态为“U”型时,水翼的升力系数标准差、时均升阻力系数都较低;当尾涡模态为“2S*”型时,水翼尾迹处于“2S”型向“U”型转变,随着折减速度的增加,升力系数标准差、时均升阻力系数、升阻比骤降。然后对不同翼壁距离下柔性水翼的流致弯曲扭转振动特性进行研究,讨论了翼壁距离对柔性水翼的弯扭振动响应、频率响应、水动力特性以及尾涡结构的影响。研究发现,在低折减速度时(3≤U*≤6),弯扭振动幅值很小,升力系数标准差的趋势与刚性水翼类似但数值较小,升阻力特性与刚性水翼接近;在(8≤U*≤12)范围内,由于存在弯曲和扭转的频率“锁定”现象,此时弯扭振动剧烈,时均升阻力系数以及升阻比高于相同工况下的刚性水翼,翼壁距离越大,柔性水翼锁定区间越宽。折减速度和翼壁距离越大,则柔性水翼的弯曲位移和扭转角度都会增加。最后对不同初始攻角下近壁面柔性水翼的流致弯曲扭转振动特性进行研究,讨论了初始攻角对柔性水翼的弯扭振动响应、频率响应、水动力特性以及尾涡结构的影响。研究发现,当初始攻角较小时(α0=5°),柔性水翼的弯曲振幅和扭转幅度基本为0;在中等初始攻角下(α0=10°、α0=15°),当柔性水翼处于频率“锁定”区间时,弯扭振动会变得剧烈;在较大的初始攻角下(α0=20°、α0=25°),随着折减速度的增加,弯曲振幅先逐渐减少之后趋于稳定,而扭转振幅基本呈上升趋势。除“频率锁定”区间外,在同一折减速度下,柔性水翼初始攻角越大,则弯曲振幅和扭转幅度越大。与刚性水翼相比,一般情况下,柔性水翼的升力系数标准差有较大的下降,但升阻比下降不明显,但是在弯扭振动频率锁定区间,升力系数标准差大幅上升,时均升阻比也增加。
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