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流固耦合平板绕流的格子波尔兹曼数值研究

张杰  
【摘要】:流固耦合问题在基础研究和工程应用中有着重要意义。本文采用格子波尔兹曼方法对平板绕流的流固耦合问题进行了数值研究,主要工作和研究成果如下: (1)研究了单个平板自由摆动绕流的流固耦合系统从定常状态到混沌状态的转捩过程。研究表明,当平板固定时,该系统可经由一系列倍周期分叉和数次准周期分叉进入混沌状态。当平板自由摆动时,该系统可经由一次Hopf分叉和一系列倍周期分叉进入混沌状态。 (2)研究了单个被动拍动平板的自主推进问题,着重分析了拍动平板的运动状态、扭转柔性效应、动力特性和流场结构。研究表明,流动状态可分为非周期状态和周期状态。当处于周期状态时,平板的水平推进方向可向前或向后,推进方向只依赖于固有频率与拍动频率的频率比F。当频率比F>1时,平板向前推进;当频率比F≤1时,平板向后推进。平板的扭转柔效应能显著改善平板的推进特性。文中所预测的结果与生物飞行和游动时观测到的诸多现象和规律相符合,有助于更好地理解生物拍动推进的基本规律和机理。 (3)研究了前后排列平板的相互作用和气动特性。研究表明,前后平板的相互作用能有效地提高平板的总升力、减小总阻力并降低升阻力的脉动。前后平板的相互作用机制归因于前后平板排列姿态的合理搭配所产生的“弯度”效应。所取得的研究结果为理解蜻蜓滑翔飞行时的空气动力行为提供了物理依据。 (4)研究了并联被动拍动平板的相互作用问题,分析了并联平板的同相和反相拍动两种典型的拍动方式,探讨了平板的扭转柔性效应以及平板间的横向干扰作用对平板的推进力、消耗功率、推进效率和尾迹涡结构的影响。研究表明,平板间的横向干扰作用可以使同相拍动的平板节省功耗,而使反相拍动的平板提高推进力和推进效率。这些研究结果有助于理解鱼类群游时尾鳍的摆动方式和水动力特性。


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