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自然界中鱼的游动,旗的摆动,工程上悬索桥,海底电缆都涉及到柔性体与周围流体的相互作用,该问题中包括了流体的非线性流动和固体结构的线弹性变形。另外研究昆虫扑翼飞行对微型飞行器的设计也有重要作用。
本文运用浸入边界算法对其进行数值模拟,这种算法在流固耦合问题中关于求解固体存在复杂几何外形,以及大幅度位移和变形有很大的优势。结合肥皂膜水洞中细丝摆动实验和静止流体中的扑翼实验,用数值方法分别模拟了柔性体和刚性多联体的流固耦合问题。得到结果如下:
1.二维流场中的一维弹性细丝,数值模拟结果发现,细丝存在伸直状态与摆动状态两种稳态运动模式。这两种状态与细丝是否存在质量有很大的关系。在流场中,对于一个初始速度为零的存在质量的细丝,给定它一个初始位置做扰动,当扰动超过一定值时,细丝的运动状态与初始扰动相关。另外,细丝的刚度系数对摆动频率和振幅都有影响。最后通过计算描绘出由铰支约束的细丝的稳定性曲线,并与理论推导的无粘流的稳定性曲线进行比较,结果吻合较好。
2.对于在粘性流中由铰支连接的多联体,让其在竖直方向作正弦的周期振动。当两翼之间的夹角固定,翼所受的上下的平均力的大小是相等的。若在两翼连接处,加入一个角弹簧,则两翼会随着连接点的周期运动而产生有规律的扑动,类似昆虫扑动翅膀,从而使流体对它产生向上的升力。并且升力的大小与翼的拍动频率,振幅以及连接两翼的角弹簧的弹性系数紧密相关。