二维流场中圆截面植物与流场耦合的力学特性的数值研究

摘要

流固耦合问题广泛地存在于多种工程实际中，如房屋桥梁工程、海洋工程、防风工程等。粘性流体流经非流线型柔性固体结构时，在固体结构后方形成周期性脱落的涡街，诱发产生周期性变化的流体作用力，并使固体结构振动，振动会改变固体结构附近的流场，进而影响流体对固体结构的作用力，这一过程即为流固耦合过程。研究流固耦合过程中流体与固体结构间的作用、结构的最大振幅、流体作用力及其频率组成、流场特征和能量输运等问题有助于更深入地理解这一过程，并为工程实际提供理论支持。目前针对这类流固耦合问题的研究多以实验为主，数值模拟较少，分析流场特征的研究更少。本文针对圆截面植物与流场的耦合过程，利用 Fluent 软件计算流场，首先改进了 Newmark-?法，接着将基于Newmark-?法编写的程序嵌入到Fluent中实现圆柱与二维流场的流固耦合，并用于计算柱体响应。对二维情形下，两自由度圆柱与流场耦合运动的过程进行了数值研究，并分析了不同流速与系统参数下，柱体响应与流场特征的变化规律。主要内容如下： 1、首先介绍了柱体与流场间流固耦合问题的基本方程，并对求解柱体振动响应的Newmark-?法进行了改进，模拟结果与Khalak和Williamson等人的实验结果吻合较好，证明本文所采用方法的合理性。基于此，开展了二维流场中圆柱与流场耦合问题的数值研究。 2、系统质量比和系统阻尼比是两个影响圆柱与流场间流固耦合过程的重要参数，本文分别研究了系统质量比和系统阻尼比对圆柱响应的影响。分析了系统参数对圆柱最大振幅和流体作用力的影响。 3、基于数值结果，分析了流场特征和能量输运特征在不同系统参数下的变化规律。定义了圆柱对流体的有效阻挡，并分析了系统质量比与系统阻尼比对有效阻挡区间的影响，为工程防风结构材料的选取提供理论依据。

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