基于浸入边界法的嵌入纤维结构槽道的大变形流固耦合数值研究

发布时间：2020-04-01 22:30

【摘要】：柔性结构与流动的耦合现象广泛存在于自然界、各种生物系统及工业过程中,对这些问题进行研究有助于更好的理解自然现象、生物及工业过程,以及对其进行合理的利用和控制。本篇论文即是从这些现象中提取出壁面嵌入柔性纤维的槽道流动模型并进行数值计算,考察流固耦合过程中流动与结构相互作用的一般规律。利用‘浸入边界方法’可以很自然的处理结构在流体作用下的大变形运动,基于该方法,本文首先探索了周期性边界条件下壁面嵌入柔性纤维的槽道装置中各参数对流动状态和阻力特性的影响。计算结果表明:流动状态受纤维刚度和流动雷诺数的共同影响。系统的整体趋势是在小刚度和小雷诺数下趋向于呈稳态,反之趋向于呈瞬态;而阻力曲线在稳态和瞬态情况下具有完全不同的变化趋势,稳态情况下阻力曲线分布在一个极限区域内,瞬态情况下的分布则更复杂,且受纤维刚度影响较大。此外,对纤维分布对称性影响的研究表明:无论是稳态还是瞬态情况,纤维分布的不对称性都不会影响流动的最终状态。此处还对纤维倾斜时的情况作了初步讨论。计算结果显示纤维倾斜方向对装置的阻力特性具有明显的影响。最后,通过改变入口边界条件考察了非周期性边界条件下装置中的流动结构、流动状态分布及阻力特性,结果表明:同周期性边界条件下的结果相比,流动形态在参数空间中的分布具有相似的趋势,但在分布范围上具有很大差异;同时阻力系数曲线也具有相似的变化规律。
【图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文的分析[23]。在存在柔性纤维阵列的结构研究方面，柔性纤维覆盖的表面结构存在于很多生物组织中。例如，蜜蜂和吸食花蜜的蝙蝠的舌头上覆盖有一层纤维状结构，用于帮助它们通过蘸取获取花蜜，Nasto 等结合了理论和实验研究了这种结构所能够夹带的流体的量与流体粘性、纤维的空间分布密度及结构退回速度之间的关系，并得出使携带量最大的最佳纤维密度[4]；再如，图 1.1 显示的是槐叶萍的表面微观结构[49]，可以清楚的看到纤维状的表面组织，这种结构使得植物表面具有疏水性，能够减小植物受到水流的作用力，研究表明，其它具有超疏水性质的植物表面也具有类似结构[31]。

图 1.2 圆柱表面覆盖柔性纤维Alvarado 等通过一个内圆柱表面覆盖柔性纤维的泰勒-库埃特流动装置研究了低雷诺数下结构与流动的非线性耦合作用，结果表明纤维的流动响应表现出减阻和变形两方面的非线性性质；当无量纲弹粘参数v在 1e0 的量级时，纤维对流动的响应是非线性的，，当纤维垂直或倾斜方向与流向一致时，会产生非线性的减阻效果（对应负的 Vogel指数）。相反，当流动方向与纤维倾斜方向相反时会出现增阻[28]。对柔性结构变形的研究在一定程度上也是受到自然界中各种植物在气流或水中变形的启发，对柔性植物在单向流动中产生的阻力的直接研究始于 Kouwen 和Unny(1973)，但是目前仍然没有通用的对柔性水生植物阻力和变形的描述。Jensen 通过对 5 种不同的大型淡水带状叶片植物的实验研究证实了：1.增加植物的柔性能够使植物产生更大的变形，从而降低阻力系数；2.与刚性植物相比，柔性植物在水流速度增加时，阻力系数下降的更快；3.堆积的植物在快速流体的作用下会通过弯曲达到一个低阻力的防护位置。实验中，植物从垂直水平板的位置逐渐变为与流动一致
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O353.4

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本文编号：2611038