柔性薄板流固耦合的數(shù)值研究.pdf

1、流固耦合問(wèn)題是自然界和工程領(lǐng)域中常見的現(xiàn)象，由于非線性和多學(xué)科性，此類問(wèn)題的研究仍具有挑戰(zhàn)性。流固耦合的相關(guān)數(shù)值方法和其中物理機(jī)理的探討對(duì)于認(rèn)識(shí)此類問(wèn)題具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用前景。本文發(fā)展了一種基于分裂格式的數(shù)值方法，并針對(duì)柔性薄板與粘性流體的相互作用問(wèn)題進(jìn)行了若干研究。主要工作及研究成果如下:
　　(1)發(fā)展了一種適用于柔性薄板與粘性流體相互作用的流固耦合算法，即浸入邊界-格子玻爾茲曼-有限元方法。此方法分別采用格子玻爾茲曼方法

2、和有限元方法來(lái)數(shù)值求解描述粘性流動(dòng)的不可壓縮Naiver-Stokes方程和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的薄板大位移非線性方程，并通過(guò)基于罰參數(shù)的浸入邊界法將兩個(gè)獨(dú)立的流固求解方法耦合起來(lái)?；诖擞?jì)算策略的流固耦合數(shù)值方法具有簡(jiǎn)潔、高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以合理地應(yīng)用于一些典型的流固耦合問(wèn)題。
　　(2)研究了柔性絲線與均勻流中圓柱尾跡相互作用的流固耦合問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)了兩種典型的絲線拍動(dòng)模態(tài)，包括自由端在下游的正向拍動(dòng)和自由端在上游的反向拍動(dòng)模態(tài)。結(jié)果表明，

3、區(qū)分兩種拍動(dòng)模態(tài)的圓柱與絲線水平間距臨界值依賴于雷諾數(shù)和絲線長(zhǎng)度。下游絲線的存在使圓柱的阻力系數(shù)減小，而絲線的阻力系數(shù)變化依賴于其長(zhǎng)度，即長(zhǎng)度較小絲線的阻力系數(shù)減小，而長(zhǎng)度較大絲線的阻力系數(shù)增加。與均勻流中單獨(dú)絲線繞流相比，圓柱-絲線系統(tǒng)中的絲線拍動(dòng)頻率減?。ㄅc圓柱的脫渦頻率相同）而拍動(dòng)振幅增大。
　　(3)研究了靜止粘性流體中拍動(dòng)柔性板自由運(yùn)動(dòng)的流固耦合問(wèn)題。當(dāng)柔性板的前緣被強(qiáng)迫施加垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流固耦合的作用下柔性板

4、會(huì)在水平方向自由運(yùn)動(dòng)。數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)了三種典型的柔性板運(yùn)動(dòng)模態(tài)，包括向前運(yùn)動(dòng)、向后運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則運(yùn)動(dòng)模態(tài)。柔性板不同運(yùn)動(dòng)模態(tài)的出現(xiàn)主要取決于拍動(dòng)振幅和彎曲剛度系數(shù)。在向前運(yùn)動(dòng)模態(tài)區(qū)域，通過(guò)拍動(dòng)柔性板動(dòng)力學(xué)特性的分析發(fā)現(xiàn)，一定程度的柔性可以有效地改善板的推進(jìn)性能。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)表明，板下游尾跡會(huì)出現(xiàn)正常和偏斜的兩種渦街結(jié)構(gòu)。進(jìn)而還分析了數(shù)值結(jié)果與自然界中采用拍動(dòng)推進(jìn)方式的游動(dòng)和飛行生物之間的關(guān)聯(lián)。
　　(4)研究了均勻粘性流中柔性圓板變形的流

5、固耦合問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)柔性圓板在流體力的作用下，產(chǎn)生被動(dòng)變形，形成一系列典型的變形模態(tài)，包括軸對(duì)稱變形和多個(gè)周向多折疊變形。通過(guò)系統(tǒng)地?cái)?shù)值計(jì)算，給出了各個(gè)模態(tài)在拉伸剛度系數(shù)-彎曲剛度系數(shù)平面的分區(qū)圖。結(jié)果表明，區(qū)分相鄰模態(tài)的臨界彎曲剛度系數(shù)隨著拉伸剛度系數(shù)的增加而增加，隨雷諾數(shù)的增加而減小。通過(guò)對(duì)變形模態(tài)動(dòng)力學(xué)演化的分析發(fā)現(xiàn)，柔性板的變形過(guò)程可分為四個(gè)典型階段;基于板運(yùn)動(dòng)過(guò)程和渦結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)流體-柔性板系統(tǒng)存在定常和非定常兩種典型狀態(tài)。動(dòng)