两面受气动载荷薄壁圆柱壳热流固耦合振动特性研究

According to the practical coupling vibration of flame tube in the course of the development of the combustion ramjet, this project of the thermo-fluild-structure coupling vibration study of thin-walled cylindrical shell with aerodynamic loading on both surfaces is proposed. In this project, the thin-walled cylindrical shell is investigated by a CFD/CSD two-way coupling numerical method, to study the thermo-fluid-structure coupling vibration characteristics of thin-walled cylindrical shell. The aim of this project is to reveal the machanism of thero-fluid-structure interaction instability of thin-walled cylindrical shell and the cause of the complicated dynamics phenomenon, to obtain the influence of design parameters on the thermo-fluid-structure interaction instability of thin-walled cylindrical shell. This project proposes the analysis principle and method to the thermo-fluid-structure coupling instability of thin-walled cylindrical shell, and provides the theoretical basis of the stability control and optimal design to the flame tube of combustion ramjet.

根据亚燃冲压发动机火焰筒耦合振动的工程实际问题，提出了两面受气动载荷薄壁圆柱壳热流固耦合振动特性研究这一项目。本项目以薄壁圆柱壳为研究对象，通过CFD/CSD双向耦合方法建立两面受气动载荷薄壁圆柱壳的热流固耦合振动系统模型，研究了薄壁圆柱壳热流固耦合振动特性，揭示热流固耦合作用下薄壁圆柱壳稳定性问题产生的机制及产生复杂动力学现象的力学机理，获得设计参数对薄壁圆柱壳热流固耦合振动的影响规律.本项目提出了薄壁圆柱壳热流固耦合振动分析原理和分析方法，为亚燃冲压发动机火焰筒热流固耦合稳定性控制和结构优化设计提供理论基础。

根据亚燃冲压发动机火焰筒耦合振动的工程实际问题，提出了两面受气动载荷薄壁圆柱壳热流固耦合振动特性这一研究项目。本项目采用von Karman大变形理论和一阶活塞理论建立了两面同时受气动载荷的壁板和薄壁圆柱壳气动弹性运动方程；基于Ansys workbench热流固耦合模块建立了两面受气动载荷壁板的CFD/CSD耦合模型；研究了两面受气动载荷壁板和薄壁圆柱壳的稳定特性和参数影响规律。研究结果表明，在超音速气流中壁板两面同时作用气动载荷时，更容易发生颤振失稳；只有在壁板的两个表面的动压之和满足颤振稳定性边界的条件下，壁板才可能保持气动弹性稳定。马赫数与壁板厚度对壁板的热气动弹性稳定性边界有较大影响，在温升不变的情况下，气动弹性临界稳定动压会随马赫数和壁板厚度的增大而明显增大；对不同的马赫数和壁板厚度，在温升较小时，气动弹性临界稳定动压的增量随着温升的增加而减小，而当温升较大时，气动弹性临界稳定动压的增量保持不变。在马赫数为3.0时，当两面气动载荷动压之和等于单面气动载荷动压时，其响应幅值相同；在跨音速区，马赫数为1.2时，两面受气动载荷壁板响应幅值要小于单面受气动载荷幅值，说明气动载荷非线性效应影响较大。此外，边界层效应对两面受气动载荷壁板的颤振边界有较大影响，随着马赫数的增大，边界层效应的影响越大，主要是因为湍流边界层主要是对壁板表面的静压影响，使得壁板上下表面存在静压差，壁板在静压差的作用下静失稳，不再保持平壁板状态，而处于一种变形状态，由于非线性刚度的硬弹簧效应，使得壁板的颤振失稳边界增大，提高了壁板颤振稳定性。薄壁圆柱壳的颤振边界随着周向波数的增加先减小后增大，随着径厚比的增加，颤振临界值在降低；随着长径比的增加，颤振临界值降低。本项目所获得的结果为亚燃冲压发动机火焰筒热流固耦合稳定性控制和结构优化提供理论基础。