弹性薄壁结构的流固耦合数值研究.pdf

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina博士学位论义论文题目殚性落壁结构的固搞合救值研免作者姓名廣翅学科专业说体力学导师姓名陆完成时间二—五年五中国利学技木学博士学位论文论文题目弹性薄壁结构的流固耦合数值研冗唐超作者姓名流体力学学科专业导师姓名阽夕云教授〇一五年五月完成时间UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor'sdegreeNumericalInvestigationofFluid

2、andFlexible-Thin-WalledStructureInteractionAuthor'sName:ChaoTangFSpeciality:luidMechanicsProfSupervisor.Xi-YunLu:FinishedTime:May,2015中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确

3、的说明。作者签名：签字日期：广中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，卩：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。‘公开口保密（年作者签名：签字日期：签字日期：摘要摘要流固

4、耦合问题是自然界和工程领域中常见的现象，本文采用格子玻尔兹曼方法、有限元法（有限差分法）及内置边界法（动量交换法）相结合的方法，数值研究了四个典型的流固耦合问题。主要工作及研究成果如下：针对人体中塌陷血管与血液相互作用现象，研究了刚性管道中粘性不可压缩流动与管道上壁面受外压作用的柔性壁的耦合运动问题。通过各种不同控制参数对柔性壁的运动特性及相应的流场结构影响的分析，发现在较大外压和较小拉伸刚度作用下，柔性壁会发生自激振荡现象，且在振荡过程中最大变形位置总出现在柔性壁的后半部分。同时，作用在柔性壁上的压力

5、及壁面剪切应力分布的变化也最为剧烈。在柔性壁的振荡过程中，拉伸能占据主导作用。通过将柔性壁与刚性壁结果的比较，分析了柔性效应对流场结构及压力和壁面剪切应力分布的影响。研究了后缘固定和前缘自由的倒置柔性板在均匀来流中摆动的动力学问题。研究揭示了柔性板的典型变形模态，包括平直模态、摆动模态、偏斜模态、偏斜摆动模态以及非对称摆动模态。柔性板摆动表现出何种模态主要取决于板的弯曲刚度和展弦比。通过流体与板之间的作用力及板的弯曲能的分析发现，在摆动模态中板能够有效地从周围流体中获得能量，将流体的动能转化为板的弯曲能

6、。详细探讨了质量比、数、来流方向与板的初始位置之间的夹角对板的动力学特性及弯曲能的影响。通过不同模态下尾迹涡结构和板周围压力分布的分析，揭示了涡结构的演化与板的变形模态之间的关系。研究了三维拍动柔性板的自主推进问题。研究发现在中等柔性下，拍动板可获得较大的推进速度和推进效率。不同展弦比的计算结果表明，展弦比对板的推进速度和推进效率的影响依赖于不同的弯曲刚度。同时，增大质量比和拍动振幅可明显提高板旳推进速度，但其消耗的输入功也相应增大。通过对不同展弦比下流场涡结构演化分析和比较，讨论了尾迹结构的形态及侧缘

7、涡的影响。通过与前人实验及观测结果的比较，分析了拍动板自主推进与游动和飞行生物运动特性的内在联系。研究了具有壁面效应的三维拍动柔性板自主推进问题。研究发现在不同的弯曲刚度情况下，壁面的存在均可提高板的推进速度和推进效率。当板在中等柔性范围时，壁面可有效抑制板的弯曲变形，此时推进效率的提升最为明显。进而详细讨论了板与壁面的距离、展弦比以及质量比对板的推进特性的影响。通过对不同弯曲刚度下板周围的压力分布及流场涡结构的分析，讨论了壁面对流场特性的影响。摘要关键词：流固耦合，弹性薄壁结构，内置边界法，格子玻尔兹

8、曼方法。AbstractAbstractFlow-structureinteractionisacommonphenomenoninnatureandengineering.Fourtypicalflow-structureinteractionproblemsarestudiednumericallybyalatticeBoltzmann-finiteelement(finitedifference)-immersedboundary(m