液滴与柔性薄壁结构耦合模拟研究

发布时间：2021-04-21 00:07

　　液滴与柔性薄壁结构相互作用的现象广泛存在自然界和工业界,包括弹性毛细现象和液滴撞击柔性基底问题。本文发展了液滴与柔性薄壁结构相互耦合的数值算法,展示了该算法模拟弹性毛细现象的能力。然后用该方法数值研究了液滴撞击柔性基底的问题,发现了基底柔性影响液滴撞击的相关物理机制。本文的主要工作及研究成果如下:（1）发展了液滴与柔性薄壁结构相互耦合的数值算法。其中,多相格子玻尔兹曼方法（MLBM）用于求解守恒型界面追踪方程和不可压缩Navier-Stokes方程;几何非线性有限元法（FEM）用于求解柔性薄壁结构的控制方程;无滑移边界条件通过插值的Bounce-Back方法进行施加;柔性边界所受的外部载荷通过动量交换法和扩散界面格式的积分方法进行求解;引入了最小加权平方法施加给定接触角的润湿性边界条件。对所发展的算法进行了充分的数值验证,包括液滴在平面和曲面上的浸润、重力作用下的丝线摆动和均匀来流中的丝线运动以及倒置板摆动。结果证明了多相流体求解器和柔性固体求解器的有效性。然后模拟并研究了液滴在超柔性薄膜上的弹性毛细现象,发现数值结果与实验和理论结果吻合得很好,展示了数值算法处理弹性毛细现象的能力。（... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：101 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 液滴与柔性结构相互作用的研究进展
        1.2.2 数值方法的研究进展
    1.3 本文主要工作
第2章 液滴与柔性薄壁结构的耦合算法研究
    2.1 引言
    2.2 两相流-格子波尔兹曼方法（LBM）
        2.2.1 流体求解器控制方程
        2.2.2 界面追踪方程的数值解法
        2.2.3 Navier-Stokes方程的数值解法
        2.2.4 流体求解器算法流程
    2.3 有限元法（FEM）
        2.3.1 一般固体的控制方程和完全拉格朗日有限元解法
        2.3.2 二维细梁结构的共旋格式几何非线性有限元数值解
        2.3.3 固体求解器算法流程
    2.4 流固耦合边界
        2.4.1 Bounce-Back方法
        2.4.2 固体边界的受力
        2.4.3 接触角模型
        2.4.4 流体点的覆盖与更新
    2.5 本章小结
第3章 弹性毛细现象的数值模拟
    3.1 引言
    3.2 数值方法与验证
        3.2.1 液滴在平面上的润湿/去润湿
        3.2.2 液滴在圆柱表面上的润湿/去润湿
        3.2.3 重力作用下悬挂的丝线
        3.2.4 均匀来流中的丝线运动
        3.2.5 均匀来流中的倒置板摆动
        3.2.6 液滴在柔性薄膜上的弹性毛细现象
    3.3 液滴浸润在超柔性薄膜上的数值研究
        3.3.1 液滴尺寸对液滴和薄膜变形的影响
        3.3.2 接触角对液滴和薄膜变形的影响
        3.3.3 膜内张力的分布
    3.4 本章小结
第4章 液滴撞击柔性基底的数值研究
    4.1 引言
    4.2 问题描述
    4.3 数值方法和程序验证
    4.4 结果与分析
        4.4.1 接触时间
        4.4.2 动量传递
max和δ_max的尺度律">        4.4.3 β_max和δ_max的尺度律
        4.4.4 不同润湿性下柔性对液滴弹跳的影响
    4.5 本章小结
第5章 工作总结与研究展望
    5.1 工作总结
    5.2 主要创新点
    5.3 研究展望
附录A 二维框架切向刚度矩阵求法
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果



本文编号：3150660