【摘 要】
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近年来,随着水下航行器的快速发展,对航行器表面流动减阻的需求日益增加。柔性蒙皮减阻技术可以较好贴合弯曲表面,且无需改变外壳结构,非常适合水下航行器表面流动减阻,因而成为了流体减阻领域的一个研究焦点。本文结合柔性蒙皮减阻技术,提出了一种准周期弹性支撑蒙皮结构,其特点为弹性支撑的排布方式具有准周期性。在弹性支撑中,两段长度不相等的间距组成一个周期单元,形成一种近似周期排布。本文构建了准周期弹性支撑蒙皮
【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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近年来,随着水下航行器的快速发展,对航行器表面流动减阻的需求日益增加。柔性蒙皮减阻技术可以较好贴合弯曲表面,且无需改变外壳结构,非常适合水下航行器表面流动减阻,因而成为了流体减阻领域的一个研究焦点。本文结合柔性蒙皮减阻技术,提出了一种准周期弹性支撑蒙皮结构,其特点为弹性支撑的排布方式具有准周期性。在弹性支撑中,两段长度不相等的间距组成一个周期单元,形成一种近似周期排布。本文构建了准周期弹性支撑蒙皮结构的物理模型,并从结构对湍流稳定性影响方面研究了结构的减阻效果。其次,本文对不同蒙皮结构参数对减阻效果的影响进行了讨论,对准周期结构和周期结构的减阻效果进行了对比。本文所做的工作主要包括以下几个方面:1)建立了准周期弹性支撑蒙皮表面的湍流稳定方程。构建了准周期弹性支撑蒙皮物理模型;根据边界层小扰动理论,建立了湍流边界层小扰动控制方程,基于结构的物理模型建立了结构控制方程,同时在蒙皮结构与流体的交界处建立了流固交界面连续条件,三者组成了湍流稳定方程,为分析湍流边界层稳定性做铺垫。2)分析了湍流边界层稳定性。运用切比雪夫配置法对湍流稳定方程进行了离散化;使用标准QZ算法求解特征方程,得到了表征特征值实部ωr和虚部ωi之间关系的特征曲线;对不同阻尼长度A+下的特征曲线进行了分析。分析结果表明:取值合理的准周期弹性支撑蒙皮结构具有抑制水动力学不稳定波产生的能力。3)计算了湍流边界层速度分布。依据边界层理论和混合长度理论,建立了速度分布控制方程;运用隐式差分法对湍流边界层速度分布控制方程进行了差分变换;对速度方程进行数值计算,得到了湍流边界层速度分布曲线;对速度分布曲线进行了分析。分析结果表明:在无水动力学不稳定波产生时,准周期弹性支撑蒙皮结构具有减小流动阻力的能力。4)分析了蒙皮结构湍流边界层减阻特性。对准周期弹性支撑蒙皮结构的各参数的稳定性特征曲线和速度分布曲线进行了分析,结果表明:蒙皮结构减阻效果随弹性支撑刚度、柔性壁面阻尼、柔性壁面刚度减小,弹性支撑间距增大而增强,而相邻弹性支撑间比例q=4时蒙皮结构减阻效果最佳。对准周期结构与周期结构的特征曲线、速度分布曲线及减阻率进行了对比,结果表明:在参数取值合理的情况下,准周期结构相比周期结构,减阻率最高能提升1.8%。
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