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弹性结构流固耦合现象在海洋、航天航空、桥梁、生物等领域广泛存在,对这些现象进行探究有助于更好地理解其结构与流场之间相互作用的机制,从而加以控制和利用。基于此,本文通过对弹性平板以及带有自由端的弹性体圆柱进行流固耦合数值模拟,探究其在耦合过程中结构与流场相互作用的一般规律。
本文首先探究了弹性平板绕流中雷诺数、弯曲刚度以及弹性平板间距等因素对流场形态和结构受力特性的影响。计算结果表明:在较低雷诺数和较大弯曲刚度时流场形态趋于稳态,反之趋于瞬态;单平板绕流中结构受力特性方面受雷诺数影响较大,随着雷诺数由66.7增加至6.67×105过程中表现为先增加后减小,在雷诺数为6.67×104时,阻力达到最大值。在双平板绕流中,在较低雷诺数时平板间距是影响流场形态的一个重要因素,间距越小流线分布越复杂,两弹性平板之间形成的旋涡个数也越多;受力方面两弹性平板所受阻力无明显差异但均大于单个弹性平板绕流时所受的阻力,该差异会随着雷诺数增加而逐渐增大。多平板绕流中影响耦合因素比较多,受力方面迎流方向第一个平板所受阻力最大,其后阻力值均有不同程度的降低。
在刚性体圆柱绕流中主要对比分析了长径比为4和6条件下雷诺数为200、500、1000时圆柱的受力以及流场流线的变化。在带自由端的弹性体圆柱绕流中,主要分析了雷诺数以及弯曲刚度对耦合作用下的流场与结构的影响,并与刚性体绕流进行对比分析。结果表明随着雷诺数的增加弹性体圆柱弯曲变形逐渐增大,该变形是导致流场后方的流线发生重大变化的主要原因;同时与以往学者的无限长圆柱绕流以及刚性体圆柱绕流分析相比,圆柱所受阻力也大大减小。弯曲刚度对于耦合的影响主要体现在圆柱的弯曲变形程度上,变形越大对耦合的影响则越大。
本文的研究成果有利于人们更加全面深入理解弹性结构的绕流问题,对于研究工程实际中其他绕流问题有指导意义和应用价值。
本文首先探究了弹性平板绕流中雷诺数、弯曲刚度以及弹性平板间距等因素对流场形态和结构受力特性的影响。计算结果表明:在较低雷诺数和较大弯曲刚度时流场形态趋于稳态,反之趋于瞬态;单平板绕流中结构受力特性方面受雷诺数影响较大,随着雷诺数由66.7增加至6.67×105过程中表现为先增加后减小,在雷诺数为6.67×104时,阻力达到最大值。在双平板绕流中,在较低雷诺数时平板间距是影响流场形态的一个重要因素,间距越小流线分布越复杂,两弹性平板之间形成的旋涡个数也越多;受力方面两弹性平板所受阻力无明显差异但均大于单个弹性平板绕流时所受的阻力,该差异会随着雷诺数增加而逐渐增大。多平板绕流中影响耦合因素比较多,受力方面迎流方向第一个平板所受阻力最大,其后阻力值均有不同程度的降低。
在刚性体圆柱绕流中主要对比分析了长径比为4和6条件下雷诺数为200、500、1000时圆柱的受力以及流场流线的变化。在带自由端的弹性体圆柱绕流中,主要分析了雷诺数以及弯曲刚度对耦合作用下的流场与结构的影响,并与刚性体绕流进行对比分析。结果表明随着雷诺数的增加弹性体圆柱弯曲变形逐渐增大,该变形是导致流场后方的流线发生重大变化的主要原因;同时与以往学者的无限长圆柱绕流以及刚性体圆柱绕流分析相比,圆柱所受阻力也大大减小。弯曲刚度对于耦合的影响主要体现在圆柱的弯曲变形程度上,变形越大对耦合的影响则越大。
本文的研究成果有利于人们更加全面深入理解弹性结构的绕流问题,对于研究工程实际中其他绕流问题有指导意义和应用价值。