关键词:
柔性蒙皮
微浮筏
流动线性稳定性
弱非线性稳定性
流体减阻
摘要:
随着科学技术的迅猛发展以及国家安全战略需求的日益增长,对水下航行器的快速性提出了更高的要求。因此,如何提高水下航行器的减阻性能成为了船舶机械以及减阻工程领域的研究热点。柔性表面减阻技术是当前常见的一种流体减阻技术,其在结构及制备方面可塑性较强,加工制造成本较低,能起到一定程度的减阻效果,但同时柔性表面减阻技术也存在结构单一、可调参数少、建模难度大等缺点,不便于对研究对象进行减阻特性的深入研究及减阻机理的全面探索。
浮筏减振系统是一种在双层减振基础上发展而来的用于船舶和潜艇的新型隔振系统,其具有较为完善的理论体系和较为成熟的研究方法,该系统能够十分显著地降低多扰动源作用时机械振动及噪声的传递。考虑到水下航行器所受水动力激励与浮筏减振系统所承受的多点激励情况类似,本文受到传统浮筏减振系统优异减振性能的启发,提出对现有浮筏减振系统微小化,并结合柔性表面减阻技术,构建了一种新型微浮筏阵列柔性蒙皮结构。为完成该蒙皮结构的减阻特性及机理研究,本文从边界层流动稳定性的角度出发,重点探究了该柔性蒙皮在控制和改善边界层流动稳定性及延迟转捩方面的效果,同时实验获取了其实际减阻率。本文具体工作如下:
首先,研究了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层的流动时间稳定性。建立了流体控制方程和蒙皮结构控制方程;结合对应的边界条件,得到了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层的线性流动稳定性模型。采用切比雪夫谱方法对该流动稳定性模型进行了数值计算,求得了流动时间不稳定特征根分布曲线,进而分析了减振单元间距、刚度比、阻尼比和中间质量等参数对蒙皮表面边界层流动时间稳定性的影响。研究结果表明:微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层内会同时产生两类扰动波,即:与流体粘性有关的Tollmien-Schlichting不稳定性波(TSW)和由于结构柔性导致的振颤行波(TWF);增大减振单元间距和中间质量,减小刚度比和阻尼比,抑制了TSW在时间尺度上的发展,但同时会导致TWF的失稳加剧。与刚性平面和单层粘弹性壁面的对比结果表明,在改善边界层流动时间稳定性上,微浮筏阵列柔性蒙皮具有更优异的效果。
其次,研究了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层的流动空间稳定性及转捩特性。利用流动时间稳定性与空间稳定性的关系,基于Gaster变换,得到了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层流动空间稳定性特征。通过eN转捩预测方法,选取适合研究蒙皮转捩问题的独特N值,预测了蒙皮不同结构参数下的转捩临界雷诺数,分析了参数变化对转捩延迟因子(TDF)的影响。研究结果表明:在空间尺度上,增大减振单元间距及中间质量,对TSW产生了稳定性影响,抑制了TSW形成的速度涡在空间上的运动发展;对TWF产生了失稳效果,加剧了TWF相关速度涡的发展。增大刚度比和阻尼比所产生的效果则刚好相反。针对转捩延迟问题,在选取N=11的保守值进行计算时,微浮筏阵列柔性蒙皮相较于刚性平面转捩延迟因子TDF可达2.058,该蒙皮具备较好的延迟转捩效果。
再次,研究了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层的流动弱非线性稳定性。应用Stuart的流动弱非线性稳定性理论,建立了微浮筏阵列柔性蒙皮表面边界层流动弱非线性稳定性模型,通过对该模型进行数值求解,得到了弱非线性影响下的边界层基本流动速度分布以及不稳定波的扰动增长率,分析了结构参数变化对边界层流动弱非线性稳定性的影响。研究结果表明:流动的弱非线性作用导致蒙皮表面边界层基本流动速度发生变形(与Blasius速度分布相比);选取大减振单元间距、大中间质量以及小刚度比和小阻尼比,可以减轻TSW扰动波相关的基本流动速度变形,但同时也会加剧TWF扰动波相关的基本流动速度变形。对于结构参数变化对扰动增长率产生的影响而言,流动弱非线性稳定性分析所得变化规律和线性稳定性分析结果保持一致,流动非线性作用不会改变结构参数对边界层流动稳定性的影响趋势。另外,通过与刚性平面和单层粘弹性壁面进行对比,蒙皮在抑制非线性阶段的边界层流动不稳定性方面同样具备更好的效果。
最后,完成了微浮筏阵列柔性蒙皮减阻特性的实验测试研究。设计并搭建了用于蒙皮减阻实验的转子实验台,通过fluent的VOF模型仿真计算了实验台的流场运动情况,并利用静、动力学分析了结构的可靠性和稳定性。基于FDM3D打印技术制备了微浮筏阵列柔性蒙皮结构,进行了未敷设和已敷设蒙皮后转子所受流体阻力矩的测量,获得了微浮筏阵列柔性蒙皮结构在不同流动雷诺数下的减阻效果,并对可能对实验测试结果产生影响的因素进行了分析。研究结果表明:在流动雷诺数Re=0 7.465×10~5范围内,减阻率随着流动雷诺数不断增大而增加;在Re=7.465×10~5时,可以达到最大减阻率η=7.34%,此后减阻率基本保持在该数值附近;当Re≥2.488×10~6时,敷设微浮筏阵列柔性蒙皮的减阻效果不再明显。实验结果证明了