动态作用下空化流动特性及流固耦合振动机理分析

The mechanics of the turbulence instabilities due to vibration of the fluid-structure interaction and two-phase (cavitation) is one of the most important scientific problems of cavitation research. In order to address the key technologies related to the development of hydraulic machinery and pumping drainage and irrigation, hydrodynamics of submarine-based missile, the physics of fluid strcture interaction in unsteady cavitating flows with pitching motion is investigated via combined physical and numerical analysis. In experiments, a synchronous multi-physical field measurement with post-processing and analysis system of the experimental data is proposed to obtain the cavity shapes, velocity vector field and the dynamic vibrations. In order to better predict unsteady behaviors of cavitating flow with transient pitching motion, the focus will be on the dynamic fluid-structure interaction modeling. Combined experimental and computational modeling are applied to investigate the interplay between unsteady cavitation, turbulent transport, vortex dynamics, pitching motion and hydrodynamics, as well as the hydroelastic vibration due to the fluid and structure interaction.

流固耦合作用所引起的湍流及两相（空化）诱发振动机理逐渐成为空化研究最重要的科学问题之一。为满足水力机械学科发展和水力发电、机电排灌、航空航天以及水下兵器等工程领域的需求，申请者提出进行动态作用下空化流动特性及流固耦合振动机理分析。研究发展动态振荡作用下，非定常空化流场及振动多场实验技术，实现空穴形态、速度场、动态振荡信号的同步数据采集与处理分析；研究动态作用下，湍流的输运过程、空化的发展规律以及流动结构的时空分布之间的相互作用与影响；研究空化流动的涡动力学特征量与结构所受宏观动力的内在关系，以及由于流固耦合效应所导致的动力振动形式；重点研究空化状态下的流体与结构耦合的动力学建模问题；分析水动弹性耦合影响下的空化流动机理及流固耦合力学特性。

流固耦合作用所引起的湍流及两相（空化）诱发振动机理逐渐成为空化研究最重要的科学问题之一。为满足水力机械学科发展和水力发电、机电排灌、航空航天以及水下兵器等工程领域的需求，申请者进行l了动态作用下空化流动特性及流固耦合振动机理分析。主要研究内容及创新性成果如下：..1. 建立了非定常空化流动与结构流激振动多场同步实验测量平台，开展了系列空化流激振动实验研究。基于空化水洞实验平台，综合运用高速摄像观察和激光多普勒振动测试技术，实现了非定常空化流场形态和结构场瞬态振动的同步定量精确测量与分析。..2. 建立了一种非定常空化流动流固耦合数值计算方法。在结构场，分解水翼的弯曲与扭转变形运动，建立了考虑水翼结构水弹性响应的结构动力学模型；提出了一种考虑流体附加作用力的混合耦合算法，进行流场作用力和结构场变形量的提取和相互传递，提高了数值计算的稳定性和精确性。获得了流动参数、结构激励参数等对水动力作用下的结构稳定性的影响。..3. 揭示了非定常空化的瞬态流动特征与结构的动态振动响应特性及其作用机理。水翼结构在不同空化阶段呈现出不同的振动特点，流激振动频率随着空化数的降低而减小。云状空泡的非定常发展是影响结构动态振动响应特性的主要因素，反向射流引起的云状空泡团断裂导致结构振动速度达到波动峰值，空泡的周期性脱落导致结构的振动速度发生大幅周期性变化。..4. 获得了水动弹性耦合作用下的空化流动机理及流固耦合振动特性。综合运用实验测试技术和非定常空化流动流固耦合的数值计算方法，研究了绕刚/弹性水翼的非定常空化流动与结构水弹性响应特性，揭示了非定常空化发展过程与结构弹性变形的相互作用机理。空化加剧了水翼结构的弯曲和扭转变形，同时，非定常流动引发的水翼结构颤振与弹性变形导致流场水动力系数的明显波动，导致更加复杂的空化现象。..5. 获得了绕流物体姿态变化--空化流场--水动力响应相互作用规律。研究了在振荡运动作用下，非定常空化流动的物理力学机理，阐明了在不同振荡速度下，流动结构的生成与演化规律，深入分析了空化流场、漩涡结构和动力特性之间的相互作用.