<acronym id="kc8mo"></acronym>
<acronym id="kc8mo"><center id="kc8mo"></center></acronym>
st
當前位置:首頁> 論文結構 > 課題組高傳強順利通過博士學位論文答辯

課題組高傳強順利通過博士學位論文答辯

氣動彈性力學與流動控制2020-12-08 15:16:22

2018年1月27日,西安迎來了第二場大雪,氣溫在零下四度,但是西北工業大學航空學院A706會議室卻如火如荼,這里正在舉行課題組高傳強同學的博士學位論文答辯。高傳強同學從2012年9月加入課題組,師從張偉偉教授從事氣動彈性力學的研究,并于2015年3月獲得碩士學位。五年時間里,高傳強在張偉偉教授的指導下在跨聲速氣動彈性領域取得了卓有成效的成果。針對跨聲速抖振,嗡鳴和跨聲速抖振中的“鎖頻”等復雜氣動彈性問題的誘發機理提出了新的見解,并開展相應的主被動控制研究。相關工作發表在Journal of Fluid Mechanics等學科頂級期刊上。高傳強博士期間獲得研究生國家獎學金3次,申請的博士論文創新基金重點資助項目獲優秀結題,榮獲國防科技進步二等獎一項(排名第6)。以下是論文的摘要及博士期間發表的論文清單。

題目:跨聲速復雜氣動彈性問題的誘發機理及控制研究

論文摘要:

現代飛行器特別是軍用飛行器的設計普遍追求高速、高機動和輕量化的要求,遭遇跨聲速不穩定分離流的情形越來越多,各種形式的跨聲速氣動彈性問題日益凸顯,并往往成為這類飛行器設計和使用過程中的瓶頸。雖然學術界和工程界已經針對跨聲速氣動彈性問題開展了諸多研究,但是若干氣動彈性現象的誘發機理目前依然沒有得到合理的解釋,這直接導致了相關問題在型號設計和使用中頻繁暴露,嚴重影響設計進程和使用壽命。

本文從跨聲速復雜流動的精細模擬和建模出發,基于CFD/CSD時域仿真和降階模型方法,建立了適用于氣動彈性穩定性問題和響應問題的統一分析方法,并針對跨聲速復雜氣動彈性問題的誘發機理及其控制進行研究。論文主要研究內容如下:

(1)開展了典型跨聲速非定常流動的數值模擬,并基于仿真數據和DMD方法開展了抖振流動的失穩特性分析。二維抖振表現為單失穩模式-窄頻特性,非定常特性由激波的弦向振蕩主導。三維抖振表現為多失穩模式下的寬頻特性,其中的低頻響應由激波的弦向和展向運動主導,展向失穩與展長和后掠角等因素引起的三維效應有關;高頻響應由翼梢的K-H型失穩引起,但是URANS方法對這種失穩流動模擬能力有限。

(2)基于ARX方法和ERA方法,建立了包含跨聲速抖振狀態在內的非定常氣動力降階模型,兩種模型都能較精確地刻畫流動的穩定性隨來流攻角和馬赫數的變化,預測的抖振邊界與CFD計算結果和實驗結果吻合較好。耦合結構運動方程,進一步建立了跨聲速氣動彈性分析模型,該模型可以用于氣動彈性穩定性問題和響應問題的統一分析。算例表明,模型分析精度較高,能夠滿足后續復雜氣動彈性問題機理分析的需要。

(3)揭示了若干復雜跨聲速氣動彈性現象的誘發機理。①跨聲速嗡鳴本質是最不穩定流動模態與結構模態耦合導致的單自由度顫振,其誘發要求流動模態的阻尼足夠低,往往在抖振邊界附近或低超聲速區,同時失穩頻率邊界由系統的開環極點和零點對應的頻率決定。②釋放結構剛度之后,抖振始發邊界會降低,表明傳統的通過剛性模型的抖振邊界預測并進而指導工程設計的分析思路存在一定不足,彈性特征是工程抖振始發邊界預測中不可忽略的因素。③跨聲速抖振流動中的 “鎖頻”現象并不是共振引起的,而是不穩定分離流下誘發的單自由度顫振,系統響應經歷強迫振動到自激顫振的轉變,這合理的解釋了為什么鎖頻區域可以遠離頻率重合點,而傳統的解耦方法會錯誤估計危險區間,并低估振動幅值。以上研究加深了對跨聲速流動中幾種復雜氣動彈性問題誘發機理的理解與認識,將對工程設計中如何解決這些問題提供理論基礎和指導。

(4)開展了跨聲速抖振的主動控制,并提出了一種新穎的被動反饋控制方法。主動控制采用尾緣舵面作為控制機構。首先在CFD仿真框架下,基于諧振舵面的開環控制可以使抖振載荷降低70%左右,采用基于升力系數延遲反饋的閉環控制能夠實現抖振的完全抑制,但控制律的獲取代價高。其次在降階模型基礎上,建立了升力和力矩系數輸出反饋的閉環控制模型,并分別通過極點配置和LQR方法開展控制律設計。研究表明兩種方法得到的控制律都能完全抑制抖振載荷,魯棒性較好,最佳控制參數組合在反共振點處得到。被動反饋控制釋放結構俯仰自由度,在適當的結構參數設計基礎上,利用流固耦合中的模態吸引效應,通過降低結構模態的穩定性裕量,誘導流動模態特征根從不穩定相空間移動到穩定相空間,進而實現抖振抑制。該過程不需要外界的能量輸入,是一種有應用潛力的控制策略。


博士期間發表論文:

1.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Kou, J. Q., Liu, Y. L., Ye, Z. Y. Active control of transonic buffet flow [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2017, 824, 312-351. (SCI: 000404896200014, 二區/JCR Q1, IF: 2.82)

2.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Li, X. T. et al. Mechanism of frequency lock-in in transonic buffeting flow [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2017, 818, 528-561. (SCI: 000398508300026, 二區/JCQ Q1, IF: 2.82,高被引論文)

3.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Ye, Z. Y. A new viewpoint on the mechanism of transonic single-degree-of-freedom flutter [J]. Aerospace Science and Technology, 2016, 52, 144-156. (SCI: 000375165400014, 二區/JCR Q1, IF: 2.06)

4.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Ye, Z. Y. Numerical study on closed-loop control of transonic buffet suppression by trailing edge flap [J]. Computers and Fluids, 2016, 132, 32-45. (SCI: 000375814700004, 三區/JCR Q2, IF: 2.31)

5.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Liu, Y. L., Ye, Z. Y., Jiang, Y. W., Numerical study on the correlation of transonic single-degree-of-freedom flutter and buffet [J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2015, 58(8), 084701. (SCI: 000359147000007, 三區/JCR Q2, IF: 2.24)

6.Zhang, W. W., Gao, C. Q., Liu, Y. L., Ye, Z. Y., Jiang, Y. W. The interaction between flutter and buffet in transonic flow [J]. Nonlinear Dynamics, 2015, 82, 1851-1865. (SCI: 000365190000019, 一區/JCR Q1, IF: 3.46)

7.Quan, J. G., Zhang, W. W., Gao, C. Q. Characteristic analysis of lock-in for an elastically suspended airfoil in transonic buffet flow [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2016, 29(1), 129-143. (SCI: 000373719600011, 二區/JCR Q1, IF: 1.31)

8.高傳強, 張偉偉, 葉正寅. 彈性特征對跨聲速抖振邊界的影響研究[J]. 工程力學, 2017, 34, 243-247. (EI: 20171003422111)

9.高傳強, 張偉偉, 葉正寅. 基于諧振舵面的跨聲速抖振抑制探究[J]. 航空學報, 2015, 36, 3208-3217. (EI: 20154501520885)

10.張偉偉, 高傳強, 葉正寅. 機翼跨聲速抖振研究進展[J]. 航空學報, 2015, 36, 1056-1075. (EI: 20152100877568)

11.寇家慶, 張偉偉, 高傳強. 基于POD和DMD方法的跨聲速抖振模態分析[J]. 航空學報, 2016, 37, 313-329. (EI: 20163902850730)

12.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Ye, Z. Y. Numerical study on transonic buffet active control by open and closed-loop strategies [C]. 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, Daejeon, Korea, 2016. (EI: 20170903387150)

13.高傳強, 張偉偉, 葉正寅. 跨聲速抖振流動中鎖頻機理研究[C]. 第十五屆全國空氣彈性學術交流會, 2017年8月, 大連.

14.張偉偉, 高傳強, 葉正寅. 跨聲速氣動彈性動力學的復雜性分析[C]. 第十五屆全國空氣彈性學術交流會, 2017年8月, 大連.

15.高傳強, 張偉偉, 葉正寅. 跨聲速抖振的主動抑制研究[C]. 第十六屆全國分離流、旋渦和流動控制會議, 2016年10月, 長沙.

16.Gao, C. Q., Zhang, W. W., Ye, Z. Y. Study on the effects of elastic-characteristics on transonic buffet onset [C]. 7th Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT), Cairns, Australia, 2015.

17.高傳強, 張偉偉, 葉正寅. 跨聲速單自由度顫振的誘發機理研究[C]. 第十四屆全國空氣彈性學術交流會, 2015年8月, 西安.


捷报比分