超声速/跨声速壁板颤振精确分析的流固耦合有限元算法

本文主要探讨了在航空航天工程领域中一项关键的技术突破——一种用于精确分析跨声速和超声速壁板颤振特性的流固耦合有限元算法。这项工作发表于2014年的《西安交通大学学报》上，由梅冠华等人共同完成。 论文的核心内容首先阐述了壁板的振动问题，引用了von Karman几何大变形理论，这是描述流体-结构相互作用时常用的模型，它考虑了壁板在高速气流中的复杂变形。同时，论文引入了欧拉控制方程，这是描述理想流体运动的基本方程，用于模拟高速气流的行为。 在数值求解方法上，作者采用了标准有限元技术来离散壁板的运动方程，这使得计算过程在空间维度上得以细化。然而，对于流动控制方程，他们采用了更为高级的双时间步长推进的特征线分裂有限元方法，这种方法能够有效地抑制流场数值解可能出现的振荡现象，提高了计算精度。 为了实现流体与固体之间的数据交换，即实现流固耦合，文章介绍了一种松耦合算法，这种算法允许在保持计算效率的同时，确保流体力学和结构动力学之间的相互影响得以准确反映。这种设计对于处理复杂的颤振问题至关重要。 论文的重点实验部分，作者利用提出的流固耦合算法，深入分析了超声速和跨声速气流作用下的壁板气动弹性特性。他们研究了归一化动压、预紧力和壁板厚度比等因素对系统性能的影响，这些参数在实际应用中直接影响到飞行器的稳定性与安全性。 此外，论文还通过对比分析，将新算法的结果与传统的线性/非线性活塞理论和线性化势流理论进行了比较，以此验证新方法的优越性。这样的对比有助于评估新算法在解决实际工程问题上的实用性和准确性。 这篇论文不仅提供了一种创新的数值方法，而且为理解和预测跨声速和超声速壁板的颤振行为提供了有力的工具，对于航空航天领域的振动控制设计具有重要意义。