[发明专利]一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法

说明书

本发明公开了一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法，包括以下步骤：步骤S1：建立空腔流固耦合问题的关键影响参数系统；步骤S2：建立空腔流固耦合问题的表征参数系统；步骤S3：建立无量纲的空腔流固耦合问题的表征参数系统；步骤S4：建立空腔流固耦合方程和边界条件；步骤S5：建立无量纲的空腔流固耦合方程和无量纲的空腔流动边界远场条件。本发明有利于抓住空腔流固耦合问题的本质和关键参数；有利于研究人员对空腔流固耦合问题的无量纲表征参数的选择；提高空腔流固耦合实验和数值研究的效率；能够促进研究人员对于空腔流固耦合问题的理解。

技术领域

本发明涉及航空航天、气动声学和结构动力学交叉技术领域，具体的说，是一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法。

背景技术

空腔类型的结构布局在航空航天飞行器中普遍存在，例如内埋武器舱、飞行器起落架舱等。在高速来流条件下，空腔内易发生流激振荡现象，导致空腔壁板结构产生振动，形成典型的空腔流固耦合问题，导致空腔问题的复杂程度显著增加。空腔流动与结构振动方程成为研究空腔流固耦合问题的重要理论基础，不过，传统的空腔流固耦合方程中涉及的物理参数通常包含量纲，而包含量纲的物理参数之间的大小关系不易确定，空腔流固耦合方程不易进行化简，使研究人员不易对空腔流固耦合规律进行理论建模，同时也增加了数值模拟过程中的数值误差，给空腔流固耦合问题的研究带来困难。

目前，国内外研究机构外对于空腔流场变量的无量纲化方法的研究较多，主要通过组合这些流场变量进行消除量纲操作，不过对于空腔流动与结构振动的流固耦合方程的无量纲化方法研究较少，相关研究能力与开发出工程实用的空腔类飞行器部件之间存在较大差距。传统的空腔物理场表征参数的无量纲化方法主要从表征现象的物理量的量纲出发，通过量纲分析消除物理参数的量纲，这种消除物理参数量纲的方法存在诸多不足，一是传统方法需要研究人员对表征物理现象的物理量具有丰富的先验知识，研究人员利用这些先验知识选择物理量的组合方式，这种组合方式存在较大随意性；二是传统方法没有从表征物理现象基本规律的控制方程出发，无法对空腔流固耦合方程进行无量纲化；三是传统方法对于物理参数无量纲化过程的物理含义不够明确，因此无法得到无量纲量之间的函数关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法，解决现有技术对于空腔流固耦合问题研究能力的不足。

本发明通过下述技术方案实现：一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：建立空腔流固耦合问题的关键影响参数系统；

步骤S2：建立空腔流固耦合问题的表征参数系统；具体包括以下步骤：

步骤S21：根据空腔流动与结构振动的基本特性，建立表征空腔流固耦合问题的物理参数系统；

步骤S22：根据表征空腔流固耦合问题的物理参数系统中各物理参数的物理含义，结合气动声学与结构动力学先验知识，选择物理参数的特征尺度；

步骤S3：建立无量纲的空腔流固耦合问题的表征参数系统；

步骤S4：建立空腔流固耦合方程和边界条件；

步骤S5：建立无量纲的空腔流固耦合方程和无量纲的空腔流动边界远场条件。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S1具体是指：分析空腔流动与结构振动的基本规律，建立空腔流固耦合问题的关键影响参数系统；所述关键影响参数系统具体包括表征空腔几何参数、表征空腔结构参数和表征来流条件参数；

所述表征空腔几何参数包括空腔长度L、空腔深度D以及空腔宽度W；

所述表征空腔结构参数包括空腔壁板材料的杨氏模量E、空腔壁板材料的泊松比ν、空腔壁板材料的密度ρ_w以及空腔壁板的厚度h；