【摘 要】
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随着国防事业的发展,仿生柔性表面减阻技术逐渐成为流体减阻领域的研究热点。目前研究人员所用表面减阻结构的参数通常来源于自然界中动植物表面特定的连续性几何形貌,导致减阻表面抽象度低、建模难度大,不便于对研究对象进行减阻特性的深入研究。本文通过模拟海豚皮肤结构,将浮筏减振机理与多孔柔性减阻壁面相结合,构建了一种用于水下航行器表面减阻的微浮筏阵列多孔柔性蒙皮结构,并对蒙皮的边界层流动稳定性与减阻性能进行了
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:微浮筏阵列蒙皮流体减阻及降噪特性研究(批准号:51775123)
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随着国防事业的发展,仿生柔性表面减阻技术逐渐成为流体减阻领域的研究热点。目前研究人员所用表面减阻结构的参数通常来源于自然界中动植物表面特定的连续性几何形貌,导致减阻表面抽象度低、建模难度大,不便于对研究对象进行减阻特性的深入研究。本文通过模拟海豚皮肤结构,将浮筏减振机理与多孔柔性减阻壁面相结合,构建了一种用于水下航行器表面减阻的微浮筏阵列多孔柔性蒙皮结构,并对蒙皮的边界层流动稳定性与减阻性能进行了研究。本文主要进行以下几个方面的工作:(1)建立了多孔柔性蒙皮流动稳定性特征方程。首先构建了多孔柔性蒙皮的物理模型;然后基于板壳理论建立了蒙皮的结构控制方程,并通过傅里叶变换得到了结构控制方程的等价形式;最后分别确定了该方程中的微浮筏单元支撑阻抗函数和流体阻抗函数,进而得到了流动稳定性特征方程,为后续稳定性分析奠定了基础。(2)分析了多孔柔性蒙皮边界层流动稳定性。基于时间模式对稳定性特征方程进行数值求解,得到了边界层流动不稳定性增长率随扰动波振动频率的变化曲线,分析结果表明,特定的微浮筏阵列蒙皮的结构参数与表面参数能够有效抑制流动不稳定性的时间增长率,使边界层流动过程变得稳定,进而延缓层流向湍流的转捩。(3)建立了基于浸入边界法的数值求解器。首先基于N-S方程得到了浸入边界法的控制方程,然后采用笛卡尔网格与二阶龙格-库塔方法将控制方程在空间与时间上进行了离散,并基于离散后的控制方程建立了柔性蒙皮流固耦合数值计算的流程。最后通过圆柱绕流算例对数值求解器的准确性进行了验证,结果表明,本文所用的求解器具有很好的准确性,这为后续的数值计算奠定了基础。(4)完成了多孔柔性蒙皮减阻性能的数值计算与分析。基于浸入边界法建立了多孔柔性蒙皮的仿真模型,通过数值计算得到了蒙皮结构参数和来流速度与阻力系数的关系曲线。分析结果表明,在特定的微浮筏单元间距与特定的流速范围内,蒙皮相对于刚板的减阻率最大可达15%;此外,适当增大刚度比和质量比以及表面渗透系数能够降低蒙皮近壁区流体的速度,减小蒙皮受到的阻力,进而提高蒙皮的减阻性能。
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