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扑翼尾迹中侧向自由的柔性细丝水动力效能研究

王振  
【摘要】:流固耦合是自然界中常见的现象,如海里的海草植物随海水摆动,空中飞翔的鸟群以及水里游动的鱼群等等,为了探究其中的控制机理科学家做了很多研究包括实验与数值模拟研究,本文利用浸入边界法与计算机数值模拟的方法来探究柔性细丝的流固耦合现象。本文的物理模型为主动扑翼与被动弹性细丝,其中把细丝的头端设置为只能在Y方向移动,在X方向则被固定,通过对扑翼与细丝设置不同的参数来探究细丝的质量、细丝头端与扑翼尾端的间距以及细丝的长度对系统的影响。通过数值模拟我们发现,随着细丝的密度的增加也就是质量的变大(在间距为2的情况下),细丝的阻力系数会随着密度的增加而变大,且几乎是线性的增加,这是由于细丝密度增加的同时细丝的惯性力也在增加,由于细丝的惯性力直接作用于流场上,因此流场的各种物理场也会随着惯性力的改变而改变,在各种物理场中速度场决定了细丝与扑翼的阻力系数大小,且流场的速度与细丝的摆动速度的比值也决定了细丝的运动模式,在部分参数下细丝的运动模式由模式一及模式三,四转化成模式二,这是因为流场速度与细丝摆动速度的比值改变导致细丝头端与涡核相撞造成的。而扑翼的阻力系数几乎不发生变化,只有微小的波动,这说明在间距为2的情况下细丝密度的改变没有影响到扑翼周围的流场。当细丝的长度改变时细丝的阻力系数也随之改变,具体为当间距和密度不变时随着细丝长度的增加细丝的阻力系数也随着增加且接近为线性增加这是由于当细丝的长度改变时细丝与流场的接触范围也随之增大因此对流场的影响程度也随之增大,则细丝的阻力系数随着长度的增加而增加。在间距为2的情况下细丝长度的变化对扑翼周围的流场造成的影响比细丝周围流场的变化较小因此扑翼的阻力系数并无改变。在探究细丝头端与扑翼尾端间距对系统的影响时,我们发现随着间距从0.5变化到2.5的过程中,扑翼的阻力系数是逐步增大的,这是由于在间距较小时细丝对扑翼的尾涡有较大的影响,具体的表现为当细丝靠近扑翼时扑翼的尾涡发生倾斜,而尾涡倾斜则会导致扑翼推力的下降,推力又与阻力大小相当。随着间距的增大细丝的阻力系数逐渐减小,这是由于靠近扑翼的尾涡强度较大作用在细丝上的流场速度同样也大,因此阻力系数也大,而远离扑翼的尾涡经过一段距离的传输能量有所损耗从而强度下降,从而作用在细丝上的流场强度能量降低,从而细丝的阻力系数随着间距的增加而逐步减小。


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