流固耦合通常是指流场演化与结构振动变形之间的相互作用,它广泛的存在于科学和工程领域,如:船舶与海洋工程,航空航天,土木工程,生物医药以及军工项目等。由于目前在工程中普遍选取轻薄的材料以提高设备的工作效率,因此流固耦合的效应尤为显著。空化是液体介质高速流动中特有的相变现象,空泡结构通常是非稳定的,非稳态空化流动会诱发显著的流-固耦合运动。本文通过建立适用的、可靠的流固耦合数值计算平台,将耦合分析引入空化流动的研究中。分析了流场载荷作用下弹性结构的响应及其对空化流的影响,探讨了耦合运动中的力学现象与机理。本文工作的主要研究内容与成果为:1.在紧耦合的框架下,建立了能够在时域内对三维、非定常的空泡—结构耦合问题进行模拟的计算方法。流场和结构计算域各自独立求解:流场选择有限体积法求解任意拉格朗日-欧拉坐标系下的RANS方程,湍流方程和空化模型方程,流场各相之间的界面由VOF方法捕捉,为了应对结构振动对流场贴体网格的影响采用了组合的动网格技术。结构通过有限元法离散求解拉格朗日坐标系下的控制方程,同时,假定结构材料为线弹性,并忽略了阻尼的作用。在流场和结构计算域的交界面上,数据相互传递,界面网格不匹配的问题通过Smart Bucket插值方法和GGI插值方法解决。2.对静止流场中平板的摆动以及方柱后部柔性平板的涡激振动现象进行了模拟,得到的流场载荷与结构位移的时、频域特征都与前人的计算结果非常接近,验证了本文建立的流固耦合计算方法的适用性及可靠性。通过引入经验公式,估算出流体粘性和密度在耦合运动中的阻尼效应及附连质量。在涡激振动的算例中,详细分析了涡结构的脱落与平板运动之间的关联,讨论了平板振动对于涡下洗轨迹的影响及对于涡脱落的抑制作用,复现了涡的脱落频率与结构固有频率相近时的共振现象。与刚性板的结果比较显示,柔性板面上的流体载荷有所提升,但是频率会显著的下降。3.数值计算了水洞中悬臂安置的三维弹性水翼的流固耦合运动,特别是柔性空化水翼的流固耦合运动。通过与文献中实验数据的比对,进一步验证了所采用的分块耦合数值方法的可靠性及计算精度。典型空化流态的计算表明,空化流动的非稳态特性是弹性水翼振动的主要激励机制。发现在特定的空化流态下,弹性水翼上非稳态空泡脱落的频率主要受控于结构的特性,而非自激励机制。空化现象越严重,相应的弹性水翼的弯曲与扭转幅度就越大,但归一化处理表明空化流动没有改变结构的变形模式。4.模拟了弹性圆柱壳以一定姿态角垂直出水的过程,研究了结构与空化流动的相互作用与机理,分析了空化数与佛鲁特数的影响。提出了弹性体自由航行出水的流固耦合数值模拟方案。计算结果表明:弹性与刚性圆柱壳工况下,空泡溃灭现象发生的时间几乎相同,其压力演化与传播特征也基本相近。肩空泡溃灭产生的瞬态冲击,导致弹性柱壳以一阶弯曲模态大幅振动。发现流、固耦合效应会改变空泡溃灭的进程,缩短肩空泡溃灭过程的持续时间。在空泡的溃灭过程中,当结构振动与水动力载荷作用的方向相同时,空泡的溃灭压力下降;而当两者方向相对时,空泡的溃灭压力得到提升。