【摘 要】
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流固耦合是一种非线性、多物理现象,广泛存在于自然界和工程领域中。本文采用格子玻尔兹曼-有限元-浸入边界法,数值研究了两种流固耦合问题,包括软尾减阻问题,以及柔性板的拍动推进问题。本文的主要工作和结论如下:研究了“软尾减阻”问题。所谓“软尾减阻”,即在平板绕流中,通过在平板后部通过柔性丝线构造一个封闭区域(即软尾),从而达到系统整体的减阻效果。主要考察了雷诺数和柔性丝线长度等控制参数对系统动力学行为
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流固耦合是一种非线性、多物理现象,广泛存在于自然界和工程领域中。本文采用格子玻尔兹曼-有限元-浸入边界法,数值研究了两种流固耦合问题,包括软尾减阻问题,以及柔性板的拍动推进问题。本文的主要工作和结论如下:研究了“软尾减阻”问题。所谓“软尾减阻”,即在平板绕流中,通过在平板后部通过柔性丝线构造一个封闭区域(即软尾),从而达到系统整体的减阻效果。主要考察了雷诺数和柔性丝线长度等控制参数对系统动力学行为的影响。研究发现在流体载荷的作用下,柔性丝线呈现五种典型模态,分别是静态变形(SD)模态、微振动(MV)模态、多频振动(MFV)模态、周期振荡(PF)模态和非周期振荡(NPF)模态。同时,一定长度的柔性丝线可以有效改变系统所受阻力:随着柔性丝线长度的增大,最高存在20%的减阻效果和一定的增阻效果。通过尾迹结构和软尾附近压力分布的分析,揭示了通过软尾改变系统动力学特性的物理机制。研究了均匀来流中拍动柔性板的动力学特性。系统地考察了St数、拍动振幅(AL)和弯曲刚度(K)等参数对尾迹模态和推-阻力转捩特性的影响。研究发现,对于具有不同弯曲刚度的拍动板,尾迹结构在St-AL参数空间内呈现三种模式,即:卡门涡街,反卡门涡街和非对称涡街。同时,我们在St-AL相平面内给出了拍动板尾迹模态分布和推-阻力转捩边界曲线;进而通过引入描述拍动板变形和运动特征的参数,给出了柔性板推-阻力转捩曲线的尺度化方法。研究还发现当系统处于共振状态时柔性板具有最佳的推进性能;不同拍动频率下的尾缘振幅、推力、功率和效率峰值重合在同一个频率比下。研究结果有助于人们理解生物通过柔性变形提升其动力学性能的内在机制。
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