[发明专利]一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法

权利要求书

1.一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法，其特征在于，所述弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法包括以下步骤：

步骤一：分析不同斯特劳哈尔数和雷诺数下扑动翼面的动态气动力特性、流场变化、脱涡频率及脱涡结构分布规律；

步骤二：分析周期性脉动流体的运动和动态涡分布参数变化，对弹性圆柱体的动态流场、脱涡频率、动态涡分布、稳定性以及涡激振动方面的影响规律；

步骤三：确定扑动翼面和弹性圆柱体之间的动态气动力干扰特性和耦合机理；

所述步骤一中，分析不同斯特劳哈尔数和雷诺数下扑动翼面的动态气动力特性、流场变化、脱涡频率及脱涡结构分布规律，具体方法为：

(1)依据脱涡结构分布图，确定几种典型的脱涡结构模型，通过理论计算确定出各自的斯特劳哈尔数，并最终确定扑动翼面的气动外形及扑动方案；

(2)不同斯特劳哈尔数和扑动幅值下的尾涡类型及涡分布规律的实验，捕捉涡运动轨迹和脱涡分布规律，进行对其动态气动力、扑动频率、扑动角度、功率以及脱涡频率参数的实时测量；

(3)对高频率、大变形下的扑动翼面进行动态数值模拟，分析翼面在不同扑动角和扑动频率下，产生的动态流场特性和脱涡结构分布规律。

2.如权利要求1所述弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法，其特征在于，进一步包括：基于翼面前缘厚度的无量纲参数用以确定扑动翼面尾流的涡分布和脱落模态：1)斯特劳哈尔数：St_D＝fD/U；2)扑动幅度，A_D＝2A/D；3)雷诺数，Re＝DU/ν；其中：D为弹性圆柱体直径，f为翼面的扑动频率，A为扑动幅度，U为自由来流速度，V为流体的运动粘度系数；翼面对应的扑动方程写为：

θ(t)＝θ_maxsin(2πft)；

四种涡态：即卡门涡街“2S”模态，St_D＝0.12和A_D＝1.14；反卡门涡街“2S”模态，St_D＝0.22和A_D＝1.81；“2P”模态，St_D＝0.07and A_D＝1.9；“2P+2S”模态，St_D＝0.04and A_D＝1.7；

弹性圆柱体振动的控制方程为：

式中，m为柱体的质量，Q_i为i方向弹性圆柱体质心的位置矢量，c和k分别为系统的阻尼和弹簧的刚度矩阵，F_i为弹性圆柱体在流体中的受力，f_n是弹性圆柱体的固有频率，ζ为弹簧阻尼系统的阻尼比；故无量纲化的参数可以分别表示为：

同时弹性圆柱体无量纲的升阻力系数C_L和C_D表示为：

弹性圆柱体在i方向的无量纲振动方程可写成：

3.如权利要求1所述弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法，其特征在于，所述步骤二中，分析周期性脉动流体的运动和动态涡分布参数变化，对弹性圆柱体的动态流场、脱涡频率、动态涡分布、稳定性以及涡激振动方面的影响规律，具体方法为：

(1)引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程，将Newmark-β代码嵌入自编程序以描述运动规律和运动矩阵；

(2)求解弹性圆柱体的动力响应并嵌入质量-弹簧刚度-阻尼程序代码，进行弹性圆柱体单/多自由度下的流固耦合数值模拟；

(3)均匀来流和扑动翼面干扰相对比，进行弹性圆柱体在不同斯特劳哈尔数和雷诺数下涡激振动实验验证及对比分析；

(4)分析动态流场分布、脱涡频率、动态涡分布和流动稳定性方面的变化规律和涡激振动规律。