【摘要】：柔性結(jié)構(gòu)與流動(dòng)的耦合現(xiàn)象廣泛存在于自然界、各種生物系統(tǒng)及工業(yè)過程中,對(duì)這些問題進(jìn)行研究有助于更好的理解自然現(xiàn)象、生物及工業(yè)過程,以及對(duì)其進(jìn)行合理的利用和控制。本篇論文即是從這些現(xiàn)象中提取出壁面嵌入柔性纖維的槽道流動(dòng)模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,考察流固耦合過程中流動(dòng)與結(jié)構(gòu)相互作用的一般規(guī)律。利用‘浸入邊界方法’可以很自然的處理結(jié)構(gòu)在流體作用下的大變形運(yùn)動(dòng),基于該方法,本文首先探索了周期性邊界條件下壁面嵌入柔性纖維的槽道裝置中各參數(shù)對(duì)流動(dòng)狀態(tài)和阻力特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明:流動(dòng)狀態(tài)受纖維剛度和流動(dòng)雷諾數(shù)的共同影響。系統(tǒng)的整體趨勢(shì)是在小剛度和小雷諾數(shù)下趨向于呈穩(wěn)態(tài),反之趨向于呈瞬態(tài);而阻力曲線在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況下具有完全不同的變化趨勢(shì),穩(wěn)態(tài)情況下阻力曲線分布在一個(gè)極限區(qū)域內(nèi),瞬態(tài)情況下的分布則更復(fù)雜,且受纖維剛度影響較大。此外,對(duì)纖維分布對(duì)稱性影響的研究表明:無論是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)情況,纖維分布的不對(duì)稱性都不會(huì)影響流動(dòng)的最終狀態(tài)。此處還對(duì)纖維傾斜時(shí)的情況作了初步討論。計(jì)算結(jié)果顯示纖維傾斜方向?qū)ρb置的阻力特性具有明顯的影響。最后,通過改變?nèi)肟谶吔鐥l件考察了非周期性邊界條件下裝置中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)狀態(tài)分布及阻力特性,結(jié)果表明:同周期性邊界條件下的結(jié)果相比,流動(dòng)形態(tài)在參數(shù)空間中的分布具有相似的趨勢(shì),但在分布范圍上具有很大差異;同時(shí)阻力系數(shù)曲線也具有相似的變化規(guī)律。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文的分析[23]。在存在柔性纖維陣列的結(jié)構(gòu)研究方面，柔性纖維覆蓋的表面結(jié)構(gòu)存在于很多生物組織中。例如，蜜蜂和吸食花蜜的蝙蝠的舌頭上覆蓋有一層纖維狀結(jié)構(gòu)，用于幫助它們通過蘸取獲取花蜜，Nasto 等結(jié)合了理論和實(shí)驗(yàn)研究了這種結(jié)構(gòu)所能夠夾帶的流體的量與流體粘性、纖維的空間分布密度及結(jié)構(gòu)退回速度之間的關(guān)系，并得出使攜帶量最大的最佳纖維密度[4]；再如，圖 1.1 顯示的是槐葉萍的表面微觀結(jié)構(gòu)[49]，可以清楚的看到纖維狀的表面組織，這種結(jié)構(gòu)使得植物表面具有疏水性，能夠減小植物受到水流的作用力，研究表明，其它具有超疏水性質(zhì)的植物表面也具有類似結(jié)構(gòu)[31]。

圖 1.2 圓柱表面覆蓋柔性纖維Alvarado 等通過一個(gè)內(nèi)圓柱表面覆蓋柔性纖維的泰勒-庫(kù)埃特流動(dòng)裝置研究了低雷諾數(shù)下結(jié)構(gòu)與流動(dòng)的非線性耦合作用，結(jié)果表明纖維的流動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)出減阻和變形兩方面的非線性性質(zhì)；當(dāng)無量綱彈粘參數(shù)v在 1e0 的量級(jí)時(shí)，纖維對(duì)流動(dòng)的響應(yīng)是非線性的，，當(dāng)纖維垂直或傾斜方向與流向一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性的減阻效果（對(duì)應(yīng)負(fù)的 Vogel指數(shù)）。相反，當(dāng)流動(dòng)方向與纖維傾斜方向相反時(shí)會(huì)出現(xiàn)增阻[28]。對(duì)柔性結(jié)構(gòu)變形的研究在一定程度上也是受到自然界中各種植物在氣流或水中變形的啟發(fā)，對(duì)柔性植物在單向流動(dòng)中產(chǎn)生的阻力的直接研究始于 Kouwen 和Unny(1973)，但是目前仍然沒有通用的對(duì)柔性水生植物阻力和變形的描述。Jensen 通過對(duì) 5 種不同的大型淡水帶狀葉片植物的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了：1.增加植物的柔性能夠使植物產(chǎn)生更大的變形，從而降低阻力系數(shù)；2.與剛性植物相比，柔性植物在水流速度增加時(shí)，阻力系數(shù)下降的更快；3.堆積的植物在快速流體的作用下會(huì)通過彎曲達(dá)到一個(gè)低阻力的防護(hù)位置。實(shí)驗(yàn)中，植物從垂直水平板的位置逐漸變?yōu)榕c流動(dòng)一致
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O353.4

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本文編號(hào)：2611038