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跨声速抖振流动状态下的机翼大幅振荡,抖振还是颤振?
2017-04-18 08:39   审核人:

跨声速流动中,在特定的来流马赫数和迎角组合下由于激波附面层干扰会出现激波的大幅自激振荡现象——跨声速抖振,其本质是流动模态的失稳[1]。在经典的气动弹性力学著作和教材中,跨声速抖振被定义为不稳定非定常流动作用下的弹性体响应问题。因此,工业界将跨声速抖振问题分解为刚硬结构的气动载荷分析和气动载荷作用下的弹性结构响应分析两个步骤。这一思路极大简化了抖振问题的分析难度,但忽略了结构振荡对流体的反馈作用。故而,结构响应完全蜕变为给定载荷下的动力响应问题,结构的振荡频率将完全由气流抖振频率决定,工程设计中的防抖问题转化为共振问题的规避。正是基于该认识,长久以来跨声速抖振的研究更多关注于刚性静止机翼的抖振脉动载荷的预测。

近来年来,一些研究者针对弹性支撑翼型在跨声速抖振流动的气动弹性现象进行研究,发现当结构固有频率与抖振频率接近时,结构振动频率不再跟随抖振频率,而是与结构固有频率保持一致,这种反常现象在流固耦合研究领域被成为“锁频,Lock-in”现象[2-4],并且锁频振动时机翼的振幅很大,常常会造成机翼结构破坏。针对该锁频现象的机理解释,目前学界的主流观点认为是非线性共振,如美国工程院Dowell院士[2],德国亚琛工业大学机械工程学院SchrÖder院长[3]等。然而我们发现从共振解释存在很大的局限性[4]锁频区域并非像共振理论预测的在抖振频率两边对称分布,而是往往偏向于频率较高的一侧;锁频阶段的结构最大振幅不是在频率共振点,这些现象都很难从共振角度进行解释。弹性机翼在跨声速抖振流动中出现的大幅振荡且伴随的锁频现象,究竟是不稳定流动下的强迫响应,还是有其他的诱发机理?

近期,西北工业大学气动弹性研究所张伟伟教授团队通过数值模拟、理论建模以及特征分析,揭示了跨声速抖振流动中锁频产生的机理[5]。研究发现模态耦合颤振是这种奇特锁频现象的本质诱因。与稳定流动中结构模态间耦合的经典颤振不同,这种特殊的颤振本质上是不稳定分离流下诱发的结构单自由度颤振,即一个结构模态和流动模态耦合,诱导结构模态失稳,并且在失稳的流动模态和结构模态的竞争中,失稳的结构运动最终主导了这个动力学系统,导致锁频现象。该研究不仅对锁频现象的奇妙特征给予了很好的解释,而且颠覆了型号设计中跨声速抖振问题的解耦分析模式,即结构大幅振动本质上是流固耦合因素主导的,而不是共振现象。该研究对航空航天领域如何抑制抖振状态下的结构大幅振动具有重要的理论指导价值。相关研究近期发表在最近一期的流体力学顶级刊物Journal of Fluid Mechanics 上。

该论文的第一作者是航空学院15级博士研究生高传强。博士期间,高传强在跨声速抖振领域开展了较系列的研究,包括与跨声速抖振流动相关的复杂气动弹性现象及机理和跨声速抖振的主动控制,相关研究成果发表在Nonlinear dynamics, Aerospace Science and Technology, Computers and Fluids, 航空学报等国内外知名期刊,累计影响因子12.5SCI引用17次。

论文链接:http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2017.120

 

[1] Crouch, J. D., Garbaruk, A., Magidov, D. & Travin, A. 2009 Origin of transonic buffet on aerofoils. J. Fluid Mech. 628, 357369.

[2] Hartmann, A., Klaas, M. & Schröder, W. 2013 Coupled airfoil heave/pitch oscillations at buffet flow. AIAA J. 51 (7), 1542–1552.

[3] Raveh, D. E. & Dowell, E. H. 2014 Aeroelastic responses of elastically suspended airfoil systems in transonic buffeting flows. AIAA J. 52 (5), 926–934.

[4] Quan, J. G., Zhang, W. W., Gao, C. Q. & Ye, Z. Y. 2016 Characteristic analysis of lock-in for an elastically suspended airfoil in transonic buffet flow. Chinese J. Aeronaut. 29 (1), 129–143.

[5] Gao, C. Q., Zhang, W. W. and Li, X. T. et al. 2017 Mechanism of frequency lock-in in transonic buffeting flow. J. Fluid Mech. 818, 528-561.

 

高传强在跨声速抖振方面发表论文:

1.  Gao C. Q., Zhang W. W., Ye Z. Y. 2016 A new viewpoint on the mechanism of transonic single-degree-of-freedom flutter. Aerospace Science and Technology, 52, 144–156. http://dx.doi.org/10.1016/j.ast.2016.02.029

2.  Gao C. Q., Zhang W. W., Ye Z. Y. 2016 Numerical study on closed-loop control of transonic buffet suppression by trailing edge flap. Computers and Fluids, 132, 32–45.

http://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.03.031

3.  Quan J. G., Zhang W. W., Gao C. Q. and Ye Z. Y. 2016 Characteristic analysis of lock-in for an elastically suspended airfoil in transonic buffet flow. Chinese Journal of Aeronautics, 29(1), 129-143.

http://dx.doi.org/10.1016/j.cja.2015.12.002

4.  Zhang W. W., Gao C. Q., Liu Y. L., Ye Z. Y. and Jiang Y. W. 2015 The interaction between flutter and buffet in transonic flow. Nonlinear Dynamics, 82, 1851-1865.

http://dx.doi.org/ 10.1007/s11071-015-2282-z

5.  Gao C. Q., Zhang W. W., Liu Y. L., Ye Z. Y. and Jiang Y. W. 2015 Numerical study on the correlation of transonic single-degree-of-freedom flutter and buffet. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 58(8), 084701.

http://dx.doi.org/10.1007/s11433-015-5683-6

6.  高传强,张伟伟,叶正寅 2017 弹性特征对跨声速抖振边界影响研究. 工程力学, 36(10), 3208-3217. (in Chinese)

7.  高传强, 张伟伟, 叶正寅. 2015 基于谐振舵面的跨声速抖振抑制探究. 航空学报, 36(10), 3208-3217.

8.  张伟伟, 高传强, 叶正寅. 2015 机翼跨声速抖振研究进展. 航空学报, 36(4), 1056-1075.

 

锁频现象,系统耦合响应频率不跟随流动特征频率而是锁定于结构频率

结构响应特征区域。1,4区域是强迫响应;2区域是模态跃迁过渡区;3区域是锁频区域即结构模态失稳颤振区

 

 

 

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