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研究作者及其机构

这项研究的主要作者是S.V. Varigonda, C. Jenquin和V. Narayanaswamy，均隶属于机械与航空工程系。其中，S.V. Varigonda为研究生助理，C. Jenquin为本科二年级研究助理，V. Narayanaswamy为副教授，同时是美国航空航天学会（AIAA）的资深成员。这项研究发表于“2021 AIAA Aviation Forum”，发表时间为2021年。文章的DOI是10.²⁵¹⁴⁄₆.2021-2926。

研究背景及动机

本研究的科学领域属于流体结构相互作用（FSI）和空气动力学弹性学，特别关注于超音速及高超音速流场与柔性结构表面的耦合作用。在现代航空器设计中，为了减轻重量，传统的实心结构常被薄壁柔性结构取代。然而，这些结构在高流速和高压力负载下容易发生振动和不稳定，例如面板震颤（panel flutter），严重时可能导致结构灾难性失效。

尽管已有大量关于FSI和空气动力弹性问题的研究，但由于这些现象受多种因素影响，例如冲击强度（shock strength）、冲击位置、激波层分离及紊流边界层效应等，精确预测这些复杂现象仍然是一个技术挑战。过去相关研究显示：如Spottswood等人结合全场数字图像相关法（DIC）及快速响应的压力敏感漆（PSP），详细揭示了流场条件和温度对面板动态响应的影响；Visbal等人通过流固耦合模型发现激波冲击能够降低导致极限环振动（LCOs）的动态压力门槛。然而目前尚不清楚 Mach 数（Mach number）、动态压力（dynamic pressure）、激波边界层相互作用（SBLI）以及面板强制振动条件对动态场量（dynamic field quantities）的具体影响。本研究旨在填补这一知识空白。

研究流程与实验方法

实验设计与总体架构

本研究在美国北卡州立大学的超音速风洞实验室进行，实验风洞具有可变的马赫数范围，从1.5至4。实验采用的面板材料为303型不锈钢，尺寸为330.2mm × 101.6mm × 1mm，并将面板嵌入风洞墙壁中。实验设置包括两种流动配置：第一种是不受冲击波影响发展的边界层流动；第二种是在面板上施加二维斜激波的边界层流动（即SBLI配置）。为了实验分析，一个具有8°转角的激波发生器安装于对侧墙壁，生成的斜向激波与面板相互作用并形成分离气泡。

实验设备及特别方法

本研究采用了同步测量技术，包括：

1. 快速响应压力敏感漆（PSP）系统

   • 使用一种基于铂复合荧光团的涂料，此涂料实现了25微秒的快速响应时间。其成分参考McMullen等人的配方，主要成分包括铂复合荧光团（Pt(II) meso-tetra(pentafluorophenyl)porphine）、二氧化钛（TiO2）和其他添加剂。
   • 使用水冷的18W UV灯（400nm波长）作为光照源，并用带600nm长波通滤光片的sCMOS相机高速记录（10 kHz采样率）。

2. 压电材料测量与控制系统

   • 使用PZT-5A型压电陶瓷作为传感器和执行器，分别测量面板变形应变信号及通过施加电场对面板实施强制振动。
   • 两组压电片分别安装在测试面板的底部，位置分别为距面板前缘143mm至189mm的区域（X1）和244mm至290mm的区域（X2），对应激波冲击的上游及下游区域。

实验结果

自由发展边界层条件下的研究结果

通过改变马赫数（1.5、2.0、2.5和3.0），作者观察到面板响应的频率特性改变。随着马赫数增加： - 应变功率谱密度（PSDs）显示高频模态的强度显著增加，而低频模态减弱。 - 表面压力PSDs整体地板值下降，低频模态的尖峰被削弱。这是因为随马赫数增加，自由流压力下降。同时，高频模态的尖峰可能被实验的广谱噪声掩盖。

动态压力对面板振动的影响

动态压力（q）与面板振动相关。实验显示： - 压力PSDs的平均地板值随着动态压力的增大略微升高。这表明较高的动态压力会加剧面板的能量响应，导致更强的模态。

激波边界层相互作用（SBLI）的引入

SBLI引入使分离气泡和分离激波的低频振荡产生周期性加载。结果显示： - 表面压力PSDs在激波冲击发生的下游显著增强，而上游压力PSDs中某些频率得到放大或削弱。 - 面板应变PSDs显示高阶模态（如模式4、6）在SBLI引入后被放大，而低阶模态（如模式1、3）减弱。意味着SBLI不但改变流场，还对面板产生被动振动控制。

强制振动实验

通过给压电片施加3种选择频率信号（1046Hz、1205Hz、1427Hz），研究发现： - 在强制振动时，被激发的面板振动模态尖峰幅度显著升高，尤其是在SBLI存在的情况下，高阶模态增强更为显著。 - SBLI不仅改变自然振动模式，还加强了特定频率的振幅。

结论及研究意义

本研究全方位分析了马赫数、动态压力、SBLI以及强制振动条件对薄弹性面板的空气动力学和结构响应的影响。研究发现： 1. SBLI引入导致面板下游区域压力显著增加，并对特定自然模态产生放大或抑制作用。 2. 强制振动能够显著放大某些模态，且其耦合作用在SBLI引入后更加复杂。 3. 研究应用快速响应PSP及压电技术的同步测量方法，为探究高阶模态和纤薄面板动态响应的细节提供了前沿技术支持。

通过揭示流体-结构耦合机制及模态变化规律，本研究为设计更高效、更稳定的超音速及高超音速飞行器薄壁结构提供了重要理论和实验支持。

研究亮点

1. 实现了同步采集压力和应变信号的创新实验设计。
2. 应用了25微秒响应时间的快速响应PSP技术及先进压电传感器，捕捉动态现象的高精度细节。
3. 揭示了SBLI对面板模态的复杂控制机理，包括动态耦合的意外影响与被动调制能力。

此项研究对于航空器结构设计及高超音速工程应用具有重要意义，同时也为未来关于流体结构相互作用的研究奠定了坚实基础。