为研究两自由度薄平板大幅运动的气动特性,评价其气动稳定性,基于任意拉格朗日‑欧拉描述法的动网格技术,通过有限差分法求解描述任意流变区域不可压流动的控制方程,开展了不同折减风速下薄平板竖弯和扭转运动绕流场的CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟。研究认为,单自由度薄平板小幅运动的气动力系统是线性和稳定的,即使单自由度大幅竖弯运动也是线性和气动稳定的。但单自由度大幅扭转运动的平板气动力系统出现非线性,并随折减风速的提高非线性变得显著,且平板将进入气动不稳定状态。另外,大幅扭转耦合不同竖弯振幅运动的平板,气动力系统均为非线性并随折减风速的提高越加显著,而该非线性主要来自扭转自由度的大幅运动;对该两自由度耦合系统,当竖弯振幅较小和折减风速较高时,气动力系统是不稳定的;但当竖弯振幅较大时,气动力系统将是

采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary La grangian-Eulerian,ALE)描述法,推导了二维流变区域不可压流体流动的控制方程。基于刚性断面边界特点,简化得到了薄平板强迫振动绕流场控制方程,采用有限差分法开展了薄平板大幅强迫扭转振动的CFD模拟。研究发现,薄平板小幅扭转振动气动力呈线性特性,但大幅扭转振动气动力非线性显著,且气动力非线性随来流折算风速的增大而变得显著。从一个周期内气流做功来看,虽然大幅扭转振动时薄平板转动轴到后缘是耗散气流能量的气动稳定区,但当折算风速较高后,上游侧的半个薄平板表面变为气动不稳定区,此时气流对整个薄平板所作总功由负变为正,薄平板将从气流中吸收能量。研究认为,当折算风速较高时,大幅扭转振动的薄平板将进入气动不稳定状态。

薄平板在汽轮机末级叶片和风力机叶片等领域获得了广泛的应用,也作为基准对象用于流线型箱梁的颤振研究中。由于不同来流攻角对薄平板气动性能的影响不同,因此研究不同攻角下薄平板的颤振机理,把握其颤振特性,对保障结构安全具有重要意义。以宽高比为40的薄平板模型为研究对象,基于不同风攻角下的颤振导数,采用双模态耦合颤振分析方法,通过对不同攻角下颤振过程中气动阻尼、弯扭运动相位的差异性分析,研究了薄平板在不同风攻角下的颤振机理,指出了影响颤振性能的主要原因。研究结果表明:0°和3°攻角下颤振性能相似,均为扭转主导的弯扭耦合颤振;在5°和7°攻角下,薄平板虽然发生扭转主导的弯扭耦合颤振,但此时非耦合气动力提供的气动正阻尼显著减小,而耦合气动力提供的气动负阻尼增强,因而直接导致了大攻角下薄平板颤振临界风速的显著