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        軸向氣流下曲壁板氣動壓力的理論與實(shí)驗(yàn)研究

        2019-08-27 09:19:16代成棟范晨光楊翊仁
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速實(shí)驗(yàn)模型

        李 晉, 李 鵬, 代成棟, 范晨光, 楊翊仁

        (1.成都雙流國際機(jī)場有限公司 資產(chǎn)管理部, 四川 成都 610202;2.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

        0 引 言

        近年來,曲壁板結(jié)構(gòu)被大量使用在高速列車及土建工程中等.但當(dāng)這類結(jié)構(gòu)處在軸向氣流的作用下時,氣流會與結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的耦合作用,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動,并引起結(jié)構(gòu)的疲勞損傷以及減少其使用壽命[1-2].相關(guān)研究表明,對壁板結(jié)構(gòu)流固耦合振動的研究,準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)在軸向氣流作用下所承受的氣動壓力對實(shí)際工程設(shè)計與應(yīng)用尤為重要[3-4].

        目前,針對壁板結(jié)構(gòu)的氣動力研究主要集中在超音速范圍內(nèi),尤其以活塞理論氣動力模型[5-7]為主流研究模型.由于曲壁板的初始構(gòu)型所受到的靜態(tài)氣動力對系統(tǒng)的動力特性有著非常重要的影響,而現(xiàn)有的針對曲壁板氣動力的研究多是以理論氣動力為主,缺少相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)對比分析.對此,本研究擬采用勢流的點(diǎn)源基本解來獲取軸向氣流下曲壁板氣動力的近似表達(dá)式,并設(shè)計完成了相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),同時將本研究理論計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及已有文獻(xiàn)的理論結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了本研究理論解的準(zhǔn)確性.

        1 理論分析

        考慮如圖1所示兩端固定的二維曲壁板,該壁板上表面有沿軸向的氣流.氣流的流速及密度分別為U∞與ρ∞,壁板具有的初始構(gòu)型函數(shù)W(x).考慮無黏無旋不可壓縮的氣流,基于勢函數(shù)點(diǎn)源形式的基本解及邊界條件,有,

        (1)

        圖1軸向氣流下的曲壁板模型

        由伯努利方程可得壁板上表面的壓強(qiáng)為,

        (2)

        將式(1)帶入式(2)可得,

        (3)

        對式(3)的后半部進(jìn)行分部積分后可得,

        (4)

        將式(4)的前半部分在x0=x處進(jìn)行泰勒展開,其動態(tài)氣動力ΔPs為,

        (5)

        式中,

        (6)

        式(5)中,第一項表明壁板表面的壓力與初始變形曲率相關(guān),最后一項表明結(jié)構(gòu)的邊界條件對氣動力有著重要的影響.

        由式(6)給出的氣動力系數(shù)如圖2所示.

        圖2氣動力系數(shù)曲線

        從圖2可知,當(dāng)n為偶數(shù)時,氣動力系數(shù)呈對稱分布,而當(dāng)n為奇數(shù)時其呈反對稱分布.

        在本研究中,視壁板為無限長波形壁板的一部分,利用模態(tài)展開法,作用在壁板的氣動力為,

        (7)

        2 實(shí)驗(yàn)研究

        為了驗(yàn)證式(7)給出的氣動力計算公式的準(zhǔn)確性,本研究設(shè)計并完成了相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)中,采用厚度為2 mm的鋁合金板加工成兩組不同初始構(gòu)型的曲壁板(分別記作:I、II),兩組曲壁板實(shí)際的初始構(gòu)型及其擬合曲線如圖3所示.

        同時,沿著壁板中軸線開有5個直徑為2 mm的小孔用于安裝壓力傳感器(XCQ-062),壓力傳感器采用橡皮泥固定在壁板背面,其安裝如圖4(a)所示.為保證曲板僅受單側(cè)軸向氣流作用,壁板結(jié)構(gòu)安裝在導(dǎo)流裝置上.該裝置由一個近似封閉的空腔構(gòu)成(空腔內(nèi)填充有海綿,內(nèi)部流體并可視為靜止),其前導(dǎo)流面與前緩沖區(qū)域可以保證在流場受大的擾動后流經(jīng)壁板模型處仍為均勻流場,而后導(dǎo)流面與后緩沖區(qū)可以使壁板模型避開尾流的影響.該導(dǎo)流裝置安裝在剛性風(fēng)洞支架上,曲板兩端固定并將上下兩側(cè)用膠布封閉,其安裝方式如圖4(b)所示.

        圖3曲壁板初始構(gòu)型及其擬合曲線圖

        圖4壓力傳感器安裝示意圖

        實(shí)驗(yàn)所采用的風(fēng)洞設(shè)備是直徑為1.2 m的開口環(huán)流式風(fēng)洞,曲壁板實(shí)驗(yàn)安裝如圖5所示.該風(fēng)洞優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)風(fēng)速區(qū)間為15~30 m/s.實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)采集儀器有INV1861A應(yīng)變調(diào)理器以及INV3062T0云智慧采集儀.將壓力傳感器連接至應(yīng)變調(diào)理器,并將應(yīng)變調(diào)理器連接至云智慧采集儀.

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        本研究對兩組實(shí)驗(yàn)曲壁板模型進(jìn)行了風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn),并在不同的穩(wěn)定風(fēng)速下采集3組數(shù)據(jù),分別記為1、2、3,以此計算出每組風(fēng)速下的壓力平均值(avg)作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

        圖5曲壁板實(shí)驗(yàn)安裝圖

        1)不同風(fēng)速下兩組曲壁板模型上各點(diǎn)壓力分布隨風(fēng)速變化情況如圖6所示.

        圖6曲壁板壓力隨風(fēng)速變化圖

        由圖6可知,曲壁板表面受到負(fù)壓力的作用,壓力沿著曲壁板中點(diǎn)呈現(xiàn)近似對稱分布,壓力的最大值出現(xiàn)在靜變形最大的位置處.

        2)相同風(fēng)速下,兩組曲壁板模型表面的壓力對比如圖7所示.

        圖7 兩組曲壁板模型的壓力對比圖

        由圖7可知,壁板的初始曲率越大,負(fù)壓越大.

        3)兩組曲壁板模型上各測試點(diǎn)的壓力系數(shù)Cp隨風(fēng)速的變化趨勢如圖8所示.

        圖8曲壁板壓力系數(shù)Cp隨風(fēng)速變化圖

        從圖8可知,曲壁板第3個測試點(diǎn)的壓力系數(shù)在不同的風(fēng)速下均保持穩(wěn)定,且初始曲率越大的點(diǎn)處的壓力系數(shù)越大.由于測點(diǎn)1與5,2與4呈近似對稱分布,因此這些點(diǎn)對應(yīng)的壓力系數(shù)也近似相等.

        4 理論與實(shí)驗(yàn)對比分析

        本研究針對兩組曲壁板的初始構(gòu)型采用多項式擬合,可得其對應(yīng)的近似構(gòu)型函數(shù),如圖3中虛線所示.兩組模型對應(yīng)初始構(gòu)型函數(shù)分別為,

        W1=3.854 2x4-5.086 4x3+1.732 4x2-0.036 1x+0.003

        W2=6.876 9x4-8.495x3+2.605 5x2-0.011 8x+0.000 3

        (8)

        將上述兩組初始構(gòu)型函數(shù)(8)帶入式(5)、式(7)可得到兩種氣動力公式的理論計算結(jié)果,分別記為ΔPs1及ΔPs2.計算時,式(6)、式(7)中的n分別取為2和4,兩種理論計算結(jié)果如圖9所示.

        由圖9可知,與文獻(xiàn)[8]相比,本研究的計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合更好,更能夠準(zhǔn)確地反映壁板結(jié)構(gòu)上的壓力分布.需要指出的是,在壁板前后緣處理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一些偏差,在以下的計算中,曲壁板前后緣均有固定約束,其對系統(tǒng)穩(wěn)定性不會產(chǎn)生明顯影響.事實(shí)上,這種偏差主要是由于理論計算中并未計及前后剛性導(dǎo)流段的影響,這也是作者正在開展的工作.

        圖9理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖

        同時,圖9還展示了式(5)中不同求和項數(shù)n對氣動力計算結(jié)果的影響.結(jié)果表明,針對兩組曲壁板模型,當(dāng)n=0,2時,理論結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,這也說明式(5)中第一項占主導(dǎo)成分,與文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果一致.而當(dāng)n=1時,兩者結(jié)果吻合程度較差,這主要是由于A1呈現(xiàn)反對稱分布,如圖2所示,這與曲壁板的近似對稱的初始變形相反.

        5 結(jié) 論

        1)在軸向氣流作用下,曲壁板表面出現(xiàn)較大的近似對稱的負(fù)壓區(qū),且壓力值隨風(fēng)速的增大而增大;相同風(fēng)速下,壓力值隨初始曲率的增大而增大.

        2)本研究所給出的氣動壓力計算方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,表明了該計算方法的合理及準(zhǔn)確性.

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