可压缩流与充气薄膜结构耦合作用流场特性

发布时间：2020-10-25 07:41

　　 充气薄膜是一种具有大变形特征的柔性体结构,其与可压缩流的耦合作用会形成复杂的流场结构,相关问题广泛存在于工程应用中。本文采用Eulerian-Lagrangian方法研究了柱状和平面薄膜结构的充气展开过程,分析了薄膜内部可压缩流与薄膜结构耦合作用的流场特性,并考察了充满柱状薄膜与外部流场压力波耦合作用的流场特性。主要工作和研究成果如下:(1)编写了一套适用于大变形流-构耦合问题研究的程序。在程序中,耦合策略采用Eulerian-Lagrangian方法,可压缩流场求解采用基于特征分裂的七阶WENO格式,采用有限元方法求解结构动力学方程,时间推进采用四阶Runge-Kutta格式。此外,为了提高复杂问题的计算效率,程序采用并行分块技术。(2)研究了柱状薄膜的充气展开过程,探讨了柱状薄膜流-构耦合作用下的可压缩流场特性。结果表明,在柱状薄膜的充气展开过程中,内部流场中会出现复杂的激波结构。激波引起流动发生分离与偏转,进而在薄膜两端形成大尺度的旋涡结构。基于Lamb矢量散度和旋度的分析发现,薄膜表面和激波附近是流场中涡运动与动量输运最剧烈的区域。可压缩流场中的涡运动导致了薄膜两端出现鼓包现象,并造成充气过程的不稳定。此外,通过薄膜表面的受力分析发现,随着充气压力与速率的增大,薄膜的应力集中现象加剧且稳定性变差。(3)研究了约束条件对平面薄膜充气展开过程的影响,分析了充气展开过程中的可压缩流场特性。结果表明,平面薄膜的约束条件对其内部流场影响较小,仅对薄膜充满外形有较明显的影响。在平面薄膜的充满展开过程中,其内部会出现局部高压区,进而导致平面薄膜顶部出现凹陷现象。通过涡动力学分析发现,薄膜内部流场中的涡结构主要位于薄膜表面附近,这与平面薄膜周边受到约束有关。正如此,平面薄膜的充气展开过程中并未出现激波结构。此外,通过研究不同内压和约束条件下的平面薄膜充满形态,获得了平面薄膜的充满外形随内压的变化规律,以及约束条件的影响。(4)研究了充满柱状薄膜与外部压力波耦合作用下的可压缩流场特性。结果表明,入射激波与薄膜耦合作用过程中会出现复杂的激波反射现象,进而在薄膜两侧形成三波点及马赫杆。受马赫杆和高压气体的影响,马赫杆后方的流场中会形成新的再压缩激波结构。发生绕射的马赫杆在薄膜背风面相交,形成复杂的强间断结构。在外部激波和强压缩波的作用下,柱状薄膜的迎风面发生凹陷,并在其两侧出现应力集中现象。此外,研究了不同流场参数条件下的充满柱状薄膜与外部压力波耦合作用过程,得到了流场参数对该耦合过程的影响规律。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O484
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 充气薄膜结构的研究现状
    1.3 流-构耦合作用的数值模拟方法
    1.4 本文的结构安排和主要工作
第二章 数值计算方法
    2.1 耦合策略
        2.1.1 基本思想
        2.1.2 Level Set函数
        2.1.3 Ghost Fluid方法
        2.1.4 程序计算流程
    2.2 充气薄膜结构的动力学有限元方法
        2.2.1 完全拉格朗日弱解形式
        2.2.2 薄膜单元的有限元描述
        2.2.3 非线性有限元求解方法
        2.2.4 时间推进方法
    2.3 可压缩流动的数值模拟方法
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 求解方法
    2.4 符号距离函数的计算方法
        2.4.1 符号距离函数的基本概念
        2.4.2 符号距离函数的符号判断方法
        2.4.3 符号距离函数计算程序的验证
    2.5 计算机集群的搭建与并行算法
        2.5.1 计算机集群的搭建
        2.5.2 基于MPI的并行策略
第三章 柱状薄膜的充气展开过程
    3.1 引言
    3.2 算例验证
        3.2.1 激波与气泡相互作用
        3.2.2 激波与薄膜的相互作用
        3.2.3 不同内压作用下柱状薄膜的充满形状
    3.3 柱状薄膜展开过程的数值模拟
        3.3.1 瞬态流场结构
        3.3.2 柱状薄膜动力学特性的变化
        3.3.3 入口气流参数对充气过程的影响
    3.4 本章小结
第四章 平面薄膜的充气展开过程
    4.1 引言
    4.2 物理模型和计算验证
        4.2.1 物理模型和计算参数
        4.2.2 数据处理
        4.2.3 计算验证
    4.3 计算结果和讨论
        4.3.1 周边全约束的圆形平面薄膜充气过程
        4.3.2 周边仅约束垂直方向位移的圆形平面薄膜充气过程
        4.3.3 周边全约束的矩形平面薄膜充气过程
        4.3.4 周边仅约束垂直方向位移的矩形平面薄膜充气过程
        4.3.5 不同内压条件下平面薄膜充满形态的静力学分析
    4.4 本章小结
第五章 外部压力波与已充满柱状薄膜的耦合作用过程
    5.1 引言
    5.2 计算模型及参数
    5.3 计算结果和讨论
        5.3.1 瞬态流动特性
        5.3.2 柱状薄膜动力特性的变化
        5.3.3 外部高压气源压力的影响
        5.3.4 柱状薄膜内压的影响
        5.3.5 外部流场压力的影响
    5.4 本章小结
第六章 工作总结和研究展望
    6.1 工作总结
    6.2 本文创新点
    6.3 研究展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张丽伟,卢景霄,李瑞,冯团辉,靳锐敏,张宇翔,李维强,王红娟;薄膜结构性能变化中的“温度临界点”[J];人工晶体学报;2005年05期

2 叶清华;安文;;薄膜结构体系设计与施工中存在的问题[J];科技资讯;2006年14期

3 王长国;杜星文;万志敏;;空间薄膜结构褶皱的数值模拟最新研究进展[J];力学进展;2007年03期

4 李云良;王长国;谭惠丰;;褶皱对薄膜振动特性的影响分析[J];力学与实践;2007年06期

5 李云良;田振辉;谭惠丰;;屈曲薄膜振动分析[J];工程力学;2008年11期

6 李云良;鲁明宇;谭惠丰;谭忆秋;;剪切褶皱薄膜动态特性分析[J];哈尔滨工业大学学报;2011年02期

7 肖潇;关富玲;程亮;;基于能量动量方法的空间薄膜结构的展开分析[J];工程力学;2011年04期

8 姚江宏,许京军,张光寅,邹云娟,陈光华,杨茹,金永范;离子注入对C_(60)薄膜结构的影响[J];物理学报;1999年07期

9 谭惠丰;余建新;卫剑征;;空间薄膜结构动态测试研究最新进展[J];实验力学;2012年04期

10 杜星文;王长国;万志敏;;空间薄膜结构的褶皱研究进展[J];力学进展;2006年02期

相关博士学位论文 前10条

1 王长国;空间薄膜结构皱曲行为与特性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

2 罗胜耘;磁控溅射制备多层TiO_2薄膜的光电化学特性研究[D];复旦大学;2014年

3 秦国平;铟（铜）-氮共掺p型氧化锌薄膜的制备和性能研究[D];重庆大学;2015年

4 何剑;氢化非晶硅薄膜结构及其物理效应[D];电子科技大学;2015年

5 刘涛;纳米铁磁金属粉体及铁氧体薄膜微波磁共振特性研究[D];电子科技大学;2014年

6 杨蒙蒙;VO_2外延薄膜的制备和相变机理研究[D];中国科学技术大学;2015年

7 张化福;纳米氧化钒薄膜的低温制备及结构与相变性能研究[D];电子科技大学;2014年

8 王从磊;可压缩流与充气薄膜结构耦合作用流场特性[D];南京航空航天大学;2015年

9 郝桂杰;射频集成纳米软磁薄膜的性能和应用研究[D];电子科技大学;2015年

10 李云良;空间薄膜褶皱及其动态特性研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 李敏;共掺杂LiNbO_3薄膜铁磁性铁电性能的研究[D];天津理工大学;2015年

2 张创立;纳米α-Fe_20_3/Ti0_2薄膜的制备及其光解水制氢研究[D];天津理工大学;2015年

3 王翠娟;B位异价元素掺杂BiFeO_3薄膜的制备与性能研究[D];山东建筑大学;2015年

4 阿立玛;掺铈与掺铬对于铁酸铋薄膜铁电性影响的研究[D];内蒙古大学;2015年

5 石璐丹;电沉积制备硫族电池薄膜及其性能研究[D];山东建筑大学;2015年

6 张美杰;射频磁控溅射制备金属/CrN薄膜及其特性研究[D];延边大学;2015年

7 王艳艳;液相法制备Ti0_2和Cu_2S薄膜的摩擦学性能的研究[D];青岛理工大学;2015年

8 台运东;高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti-Cu薄膜及血小板粘附件为[D];西南交通大学;2015年

9 张旭;有机/无机杂化钙钛矿薄膜的制备及其性能研究[D];内蒙古大学;2015年

10 张帅拓;多弧离子镀制备TiN/TiCrN/TiCrAIN多层硬质膜的研究[D];沈阳大学;2015年

本文编号：2855662