关于机翼和大气紊流的问题！

zxmgu123

刚性机翼在离散突风作用下的响应：Ma=F
典型机翼在连续突风（大气紊流）下的运动方程:Ma+cv+kx=F;
参考文献气动弹性与控制，赵永辉
请问：我能否这样假设，计算刚性机翼在大气紊流下，响应分析也可简化理解：
                                                    Ma=F
请告诉指导一二，离散和连续突风在响应分析时的区别。

Seventy721

我不是做航空和气动力的，不是很清楚你说的突风等术语，但是我可以提供一点流致振动方面的建议。

很明显Ma=F只是刚体运动，而Ma+cv+kx=F是振动方程。用什么样的方程取决与你的物理模型以及你想要预测的物理量。如果你只关心飞行器的运动轨迹，或者推力/阻力，或者即时加速度，那么就只要计算刚体运动；如果你关心机翼的振动或气弹性等问题，肯定要采用振动方程。这跟什么载荷没有关系。

如果是刚体问题，载荷直接决定了解。如果是振动问题，决定振动的是两个方面，首先是固有频率（模态），然后是外激励，如果研究的是瞬时响应，还要考虑初始条件。湍流激励是众多激励的一种。如果不考虑流固耦合，则可以简单看作随机过程。只要取得湍流的时间和空间分布随机模型就可以(PSD/CSD)。实际做的时候不可能得到所有点处的PSD.往往取一些离散点测PSD，然后推断随机模型里的参数。如果考虑流固耦合，一般是只考虑气弹性问题引起的失稳，而把湍流引起的响应和失稳分开处理。

Seventy721

直接分析湍流和气弹性的，一般都是计算机模拟，解析解好像很少见，反正我没见过。计算机模拟一般就是做FSI（fluid and structure interaction）。流体采用LES，固体部分采用解析或者有限元，轮流求解。Fluent 上可以做这个，但是需要自己写UDF（user defined function）。

Seventy721

但是计算机模拟的一个大问题就是高雷诺数流体的边界层，还有LES的near wall处理方法。LES 本身还不是很成熟，FSI的结果也是很难衡量其正确性。而且对于复杂结构，计算量极大，需要并行处理。Fluent 的UDF支持并行处理，但是写并行UDF很麻烦。计算节点之间数据传输量大，严重减低计算效率。而且动网格本身也非常耗时，每次移动网格实际上都引入虚假的数值扰动，这个数值扰动有时会在流体计算上被放大。总之，数值模拟高雷诺数流体的FSI问题至今还只是开了个头。

zxmgu123

回复 4 # Seventy721 的帖子

谢谢您耐心的指导。
对于你的前面解释是我关心的，我的目的：是想通过“惯性力理论”，当机翼受外力产生加速度，以机身为固定坐标，那内部的结构会同时产生反方向加速度，产生惯性力作用。主要考虑内部结构振动。
对于你的解释，我可否这样理解：我现在想得到的只是加速度，所以可否简化模型用刚性机翼。
还有个点不太明白，疑惑处：上面求得加速度是瞬态的吧，当我外力用自谱表示时（它应该是在随着频率变化的吧），加速度是否可以用Ma=F求(对于刚性机翼），去得到加速度响应自谱密度。
麻烦您受累，让我这“无知少年”再增长的知识。

wei_x

不知道lz说的刚性机翼是否指的是：机翼没有平动自由度（机翼的上下振动）；如果是的话，机翼的流致振动还需分析机翼的扭转振动。
牛顿第二定律F=Ma或者理解为动静法，与气动弹性应该是两个概念

wei_x

Seventy721 发表于 2011-8-19 04:15

                               
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“如果考虑流固耦合，一般是只考虑气弹性问题引起的失稳，而把湍流引起的响应和失稳分开处理。”

请教seventy721，湍流激励在不考虑流固耦合的情况下，可以将流体力看成是对结构的随机激励；那么在考虑流固耦合的情况下，流体力有什么区别？如何将响应与稳定性分开处理？

Seventy721

流固耦合引起的失稳与湍流引起的强迫振动具有完全不同的机理。失稳的存在是由于流体和固体的相互作用而导致的；强迫振动则是单向的，流体引起激励施加给固体，但是固体响应引起的流场变化很小，可以忽略。比如飞机在飞行中机翼受到空气作用。这里面首先有湍流引起的随机振动，这个是不可避免的。具体计算来说，就是先用流体软件计算流场，然后把流场在机翼上引起的力传递给机翼有限元模型用以计算其响应。但是如果流速足够高，机翼的变形会导致不平衡的尾流，尾流的变化也呈现周期性，当这个频率跟机翼尾缘的固有频率接近的时候，就会增强机翼的振动。增强的振动又导致增强的尾流变化，反复如此导致非常大的振动响应。这就是失稳。失稳的一个特点就是有个极限流速。流速低于这个极限流速的时候，机翼的响应很小，基本上就是湍流导致的；流速增加到超过极限流速的时候，机翼响应会有一个快速攀升的过程，一下子跳到很大的数值。如果是结构共振以及涡流共振，再增加流速，响应会下降。失稳则不同，再增加流速，响应会一直上升，直到进入下一个失稳模态。

考虑耦合有两种途径，一种是解析方法，一种是直接数值模拟。解析方法是将流体做极大简化，一般简化为理想流体，然后给固体边界一个速度或者加速度，然后求出流场的解析解，然后得到升力和速度/加速度的关系表达式。把这个关系表达式再代入固体振动方程，求得响应。数值的方法就是在一个时间步内分别求解流场和固体响应，流场的边界条件由上一时间步的固体响应确定（非穿透+无滑动）；固体上所受的激励由本步内的流场计算得到。

解析方法的好处是可以利用揭示失稳的原理。但是解析方法对流体的简化很大，无法包括湍流。数值模拟可以把湍流和失稳的影响同时考虑进去，但是计算量很大，而且数值误差引起的解的稳定性问题有时会导致计算失败。

实际中湍流引起的振动是一定存在的，而失稳则是可以控制的。失稳导致的振动往往远大于湍流本身的振动。具体用什么方法解决，还要看具体应用里面关心的是哪个问题。做设计的时候，需要考虑是否会出现失稳，如果有可能，则一定要重视。失稳是导致结构迅速破坏的一个重要原因。

wei_x

谢谢seventy721的详细解答。不知道我这么考虑是否正确：
假设结构的振动不会显著地改变流场形态，可以将涡激振动中周期变化的流体升力和阻力考虑为对结构的强迫激励，当流体力周期与结构自振周期相近时，出现类似共振的现象。而考虑流固耦合时，不论解析法还是直接数值模拟，都认为结构振动与流体力直接相关，结构和流场考虑为一个自激振动系统，当流速超过极限流速时，系统发生动态失稳。
湍流引起的流体力脉动变化，在不考虑流固耦合效应时认为是对结构的随机激励；考虑流固耦合时，解析法一般都将流场考虑成无粘无旋的势流，忽略了湍流，直接数值模拟中通过选择合适湍流模型来考虑这部分影响。

Seventy721

wei_x 发表于 2011-9-2 15:06

                               
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谢谢seventy721的详细解答。不知道我这么考虑是否正确：
假设结构的振动不会显著地改变流场形态，可以将涡 ...

我同意你的理解。你引用的这张图是个很著名的说明图。关于流固耦合你可以看Paidoussis的著作；关于湍流激励引起的振动可以看Au Yong的书；关于涡流引起的振动可以看Blevins的书。

zxmgu123

回复 6 # wei_x 的帖子

谢谢你的解答，我说的刚性，应该是机翼和机身为整体，在大气中在做上下运动，那就可能产生结构运动产生的气动力和突风运动的气动力，MA=-La-Lg.这个是我在文献上看来的。但它讨论的是突风时离散的，而大气是连续突风，我不知道是否适用