大变形柔性体与流体相互作用的数值模拟

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本文主要采用内置边界法(ImmersedBoundaryMethod,IBM)对大变形的柔性体与流体相互作用进行了数值模拟研究,包括中等Reynolds数均匀来流中细丝的被动摆动问题和精子低Reynolds数主动游动问题。   (一)对于被动摆动问题,将细丝简化为一端固定一端自由的不可伸长的欧拉梁,着重考查了前人研究中由静止模态向周期的摆动模态转化过程中出现的双稳态区域。在重现了前人结果的基础上,引入不同的初始偏转角来量化初始扰动,首次发现了在不同的初始扰动的情况下细丝在该区域呈现出三稳态甚至是多稳态的现象,将新出现的稳定模态命名为亚摆动模态,并详细探讨了这些模态与初始偏转角的关系。从细丝摆动频率、振型、包络线和流场尾迹速度型、涡量及流场POD分析等,进一步研究亚摆动模态和摆动模态的异同。   结果表明,细丝摆动系统存在着两种不同的效应:绕流效应和摆动效应。在亚摆动模态下,细丝的振幅较小,摆动效应不明显,系统为绕流效应所主导,流场特征非常接近于圆柱绕流;摆动模态下,细丝的振幅较大,摆动效应明显增强,流场为绕流效应和摆动效应共同主导。   (二)对于精子游动问题,将模型运动分解为鞭毛的摆动运动和整体的自由游动,着重研究壁面波动变形对精子游动速度的影响。在固定壁面的波长和频率时,精子游动的速度随着壁面的振幅增加而增加,且当振幅相对较大时,二者呈线性关系。在固定壁面振幅和频率时,精子的游动速度随着波长的增加总体上呈先增后减最后稳定的趋势,并在一些特定的波长下有额外的速度增加或减小。
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