Aeroelastic stability of plate interacting with a flowing fluid


Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents the results of a numerical study of the dynamic behavior of the deformable plate interacting both with the external supersonic gas flow and the internal fluid flow. The constitutive relations describing the behavior of ideal compressible fluid in the case of small perturbations are written in terms of the perturbation velocity potential and transformed using the Bubnov-Galerkin method. The aero- and dynamic pressures are calculated based on the quasi-static aerodynamic theory. The strains in the plate evaluated following the Timoshenko hypotheses. A mathematical formulation of the dynamic problem of elastic structure is developed using the variational principle of virtual displacements, which takes into account the work done by the inertia forces, aerodynamic and hydrodynamic pressures. Calculation of complex eigenvalues of the coupled system of two equations is performed using an algorithm based on implicitly restarted Arnoldi method. The stability criterion is based on an analysis of the complex eigenvalues of system of two equations obtained for increasing flow or gas velocity. The reliability of the obtained numerical solution has been estimated by comparing it with the available theoretical data. A few numerical examples were considered to demonstrate the existence of different types of instability depending on the velocities of fluid or gas flow, combinations of kinematic boundary conditions prescribed at the edges of the plate, and the fluid layer height. It has been found that a violation of the smoothness of the obtained relationships and diagrams of stability is caused by a change in the flutter mode, or change of the type of loss of stability.

About the authors

Sergey A Bochkarev

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch of RAS

Email: bochkarev@icmm.ru
(Cand. Phys. & Math. Sci.; bochkarev@icmm.ru; Corresponding Author), Senior Researcher, Dept. of Complex Problems of Mechanics of Deformable Bodies 1, Akad. Korolyova st., Perm, 614013, Russian Federation

Sergey V Lekomtsev

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch of RAS

Email: lekomtsev@icmm.ru
(Cand. Phys. & Math. Sci.; lekomtsev@icmm.ru), Researcher, Dept. of Complex Problems of Mechanics of Deformable Bodies 1, Akad. Korolyova st., Perm, 614013, Russian Federation

References

  1. Dowell E. H. Aeroelasticity of Plates and Shells / Mechanics: Dynamical Systems. Vol. 1. Netherlands: Springer, 1975. xiii+139 pp.
  2. Ильюшин А. А. Закон плоских сечений в аэродинамике больших сверхзвуковых скоростей // ПММ, 1956. Т. 20, № 6. С. 733-755.
  3. Новичков Ю. Н. Флаттер пластин и оболочек / Итоги науки и техники / Механика деформируемого твердого тела, Т. 11. М.: ВИНИТИ, 1978. С. 67-122.
  4. Dowell E. H., Voss H. M. Theoretical and experimental panel flutter studies in the Mach number range 1.0 to 5.0 // AIAA J., 1965. vol. 3, no. 12. pp. 2292-2304. doi: 10.2514/3.3359.
  5. Dixon S. C. Comparison of panel flutter results from approximate aerodynamic theory with results from exact inviscid theory and experiment: NASA TN D-3649; Technical Report no. 19660029122, 1966, https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19660029122.
  6. Веденеев В. В., Гувернюк С. В., Зубков А. Ф., Колотников М. Е. Экспериментальное исследование одномодового панельного флаттера в сверхзвуковом потоке газа // Изв. РАН. МЖГ, 2010. № 2. С. 161-175.
  7. Bismarck-Nasr M. N. Finite element analysis of aeroelasticity of plates and shells // Appl. Mech. Rev., 1992. vol. 45, no. 12. pp. 461-482. doi: 10.1115/1.3119783.
  8. Païdoussis M. P. Fluid-structure Interactions: Slender Structures and Axial Flow, 2nd edition. vol. 2. London: Academic Press, 2014. 923 pp. doi: 0.1016/B978-0-12-397333-7.09967-8.
  9. Kornecki A., Dowell E. H., O’Brien J. On the aeroelastic instability of two-dimensional panels in uniform incompressible flow // Journal of Sound and Vibration, 1976. vol. 47, no. 2. pp. 163-178. doi: 10.1016/0022-460X(76)90715-X.
  10. Dowell E. H. Nonlinear oscillations of a fluttering plate // AIAA J., 1966. vol. 4, no. 7. pp. 1267-1275. doi: 10.2514/3.3658.
  11. Dowell E. H. Nonlinear oscillations of a fluttering plate. II // AIAA J., 1967. vol. 5, no. 10. pp. 1856-1862. doi: 10.2514/3.4316.
  12. Mei C. A finite-element approach for nonlinear panel flutter // AIAA J., 1977. vol. 15, no. 8. pp. 1107-1110. doi: 10.2514/3.60760.
  13. Yang T. Y., Han A. D. Nonlinear panel flutter using high-order triangular finite elements // AIAA J., 1983. vol. 21, no. 10. pp. 1453-1461. doi: 10.2514/3.8267.
  14. Haddadpour H., Navazi H. M., Shadmehri F. Nonlinear oscillations of a fluttering functionally graded plate // Compos. Struct., 2007. vol. 79, no. 2. pp. 242-250. doi: 10.1016/j.compstruct.2006.01.006.
  15. Prakash T., Ganapathi M. Supersonic flutter characteristics of functionally graded flat panels including thermal effects // Compos. Struct., 2006. vol. 72, no. 1. pp. 10-18. doi: 10.1016/j.compstruct.2004.10.007.
  16. Rossettos J. N., Tong P. Finite-element analysis of vibration and flutter of cantilever anisotropic plates // J. Appl. Mech., 1974. vol. 41, no. 4. pp. 1075-1080. doi: 10.1115/1.3423437.
  17. Бочкарев С. А., Лекомцев С. В., Матвеенко В. П. Гидроупругая устойчивость прямоугольной пластины, взаимодействующей со слоем текущей идеальной жидкости // Изв. РАН. МЖГ, 2016. № 6. С. 108-120. doi: 10.7868/S0568528116060049.
  18. Бочкарев С. А., Лекомцев С. В. Численное исследование влияния граничных условий на гидроупругую устойчивость двух параллельных пластин, взаимодействующих со слоем текущей идеальной жидкости // Вычислительная механика сплошных сред, 2015. Т. 8, № 4. С. 423-432. doi: 10.7242/1999-6691/2015.8.4.36.
  19. Kerboua Y., Lakis A. A., Thomas M., Marcouiller L. Modeling of plates subjected to a flowing fluid under various boundary conditions // Eng. Appl. Comp. Fluid Mech., 2008. vol. 2, no. 4. pp. 525-539. doi: 10.1080/19942060.2008.11015249.
  20. Noorian M., Haddadpour H., Firouz-Abadi R. Investigation of panel flutter under the effect of liquid sloshing // J. Aerosp. Eng., 2015. vol. 28, no. 2, 04014059. doi: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000384.
  21. Бочкарев С. А., Лекомцев С. В. Аэроупругая устойчивость круговых цилиндрических оболочек, содержащих текущую жидкость // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.мат. науки, 2015. Т. 19, № 4. С. 750-767. doi: 10.14498/vsgtu1453.
  22. Вольмир А. С. Нелинейная динамика пластин и оболочек. М.: Наука, 1972. 432 с.
  23. Вольмир А. С. Оболочки в потоке жидкости и газа. Задачи гидроупругости. М.: Наука, 1979. 320 с.
  24. Lehoucq R. B., Sorensen D. C. Deflation techniques for an implicitly restarted Arnoldi iteration // SIAM J. Matrix Anal. Appl., 1996. vol. 17, no. 4. pp. 789-821. doi: 10.1137/S0895479895281484.
  25. Olson M. D. Some flutter solutions using finite elements // AIAA J., 1970. vol. 8, no. 4. pp. 747-752. doi: 10.2514/3.5751.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2016 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».