均匀来流中柔性体流固耦合数值模拟

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本文主要通过柔性体流固耦合方法数值模拟了二维情况下串联柔性圆环及串联柔性倒置板在均匀来流中的拍动方式和受到阻力问题。本文的主要工作及研究成果如下:  (1)采用格子波尔兹曼方法来数值模拟流体的流动。二维有限元方法来数值模拟二维柔性环及柔性倒置板的变形。同时还采用了浸入边界法来耦合流固之间的相互作用力。  (2)数值模拟研究了两个串联柔性环在均匀来流中的相互作用,两柔性环在前端固定,其余部分自由拍动。研究柔性环的拍动及受力,发现在一定距离下,后方圆环会发生阻力突降现象。通过流场模态来分析突降现象出现的原因。同时发现拉伸刚度的改变会影响后方圆环发生阻力突降的位置。若令后方圆环可沿横向自由运动,我们发现在一定距离范围内,后环会改变横向平衡位置来自主地寻找阻力较低的位置,同时后环发生阻力突降的距离减小。  (3)数值模拟研究了多个串联柔性倒置板在均匀来流下的相互作用问题,柔性倒置板后端固定,其余部分可自由摆动。研究其摆动及弯曲能,发现对于简单的流向串联倒置板,在一定的距离内,后方倒置板的摆动受到抑制。其摆动振幅减小,受到的阻力及弯曲能也随之降低。为了使倒置板获得更多的弯曲能,研究了横向为周期性边界条件的无穷多组串联倒置板问题。在直线排列和交错排列下,后方倒置板均可以大幅增强摆动幅度,并获得更大的弯曲能。通过对前后板涡的融合机制的研究解释了后方倒置板振幅增大及弯曲能增强的原因,并通过对有限多组串联倒置板的研究,确定了这种排列方式使串联倒置板获得更多的弯曲能的有效性。
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