【摘要】：流固耦合問題廣泛地存在于多種工程實(shí)際中,如房屋橋梁工程、海洋工程、防風(fēng)工程等。粘性流體流經(jīng)非流線型柔性固體結(jié)構(gòu)時(shí),在固體結(jié)構(gòu)后方形成周期性脫落的渦街,誘發(fā)產(chǎn)生周期性變化的流體作用力,并使固體結(jié)構(gòu)振動,振動會改變固體結(jié)構(gòu)附近的流場,進(jìn)而影響流體對固體結(jié)構(gòu)的作用力,這一過程即為流固耦合過程。研究流固耦合過程中流體與固體結(jié)構(gòu)間的作用、結(jié)構(gòu)的最大振幅、流體作用力及其頻率組成、流場特征和能量輸運(yùn)等問題有助于更深入地理解這一過程,并為工程實(shí)際提供理論支持。目前針對這類流固耦合問題的研究多以實(shí)驗(yàn)為主,數(shù)值模擬較少,分析流場特征的研究更少。本文針對圓截面植物與流場的耦合過程,利用Fluent軟件計(jì)算流場,首先改進(jìn)了Newmark-β法,接著將基于Newmark-β法編寫的程序嵌入到Fluent中實(shí)現(xiàn)圓柱與二維流場的流固耦合,并用于計(jì)算柱體響應(yīng)。對二維情形下,兩自由度圓柱與流場耦合運(yùn)動的過程進(jìn)行了數(shù)值研究,并分析了不同流速與系統(tǒng)參數(shù)下,柱體響應(yīng)與流場特征的變化規(guī)律。主要內(nèi)容如下:1、首先介紹了柱體與流場間流固耦合問題的基本方程,并對求解柱體振動響應(yīng)的Newmark-β法進(jìn)行了改進(jìn),模擬結(jié)果與Khalak和Williamson等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明本文所采用方法的合理性�；诖�,開展了二維流場中圓柱與流場耦合問題的數(shù)值研究。2、系統(tǒng)質(zhì)量比和系統(tǒng)阻尼比是兩個(gè)影響圓柱與流場間流固耦合過程的重要參數(shù),本文分別研究了系統(tǒng)質(zhì)量比和系統(tǒng)阻尼比對圓柱響應(yīng)的影響。分析了系統(tǒng)參數(shù)對圓柱最大振幅和流體作用力的影響。3、基于數(shù)值結(jié)果,分析了流場特征和能量輸運(yùn)特征在不同系統(tǒng)參數(shù)下的變化規(guī)律。定義了圓柱對流體的有效阻擋,并分析了系統(tǒng)質(zhì)量比與系統(tǒng)阻尼比對有效阻擋區(qū)間的影響,為工程防風(fēng)結(jié)構(gòu)材料的選取提供理論依據(jù)。
【圖文】：

風(fēng)場與植被下墊面的相互作用是一類典型的流固耦合問題。如風(fēng)場中的圓截面植物，其垂向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過截面尺寸，在一定范圍內(nèi)，可認(rèn)為來流速度不沿圓柱垂向變化，于是此類問題可簡化為二維流場中彈性約束圓柱與流場耦合的動力學(xué)問題。2.1 流場-圓柱流固耦合理論模型2.1.1 簡化物理模型為分析圓柱形植物某一截面的風(fēng)振響應(yīng)和局部風(fēng)場特征，將植物的彈性模量等彈性效應(yīng)用彈簧剛度來表征，植物的阻尼效應(yīng)用阻尼來表征。于是可以將此類問題簡化為如圖 2.1 所示的二維平面內(nèi)均勻來流作用下的兩自由度圓柱-彈簧-阻尼系統(tǒng)。其中，圓柱在 Z 方向（垂向，垂直于紙面向外，圖中未標(biāo)出）上被固定，僅可在 X 方向（流向）和 Y 方向（橫向）上振動。

流固耦合中圓柱的響應(yīng)特征主要包括橫向與流向位移響應(yīng)、作用力頻率與作用力最大值。圓柱的位移和作用力最大值影響振動的強(qiáng)弱，，同時(shí)影響圓柱尾渦脫落模式，繼而影響圓柱下游流場；而流體作用力頻率體現(xiàn)了振動的劇烈程度，影響尾渦脫落的快慢。因此分析柱體響應(yīng)特征隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律具有重要的工程實(shí)際意義。本章首先對照 Khalak 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性，并設(shè)置了五組實(shí)驗(yàn)組，研究圓柱響應(yīng)特征隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律。3.1 模型驗(yàn)證3.1.1 網(wǎng)格與計(jì)算參數(shù)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分如圖 3.1 與圖 3.2 所示，圖 3.1 為計(jì)算域整體網(wǎng)格圖，尺寸為 36D×24D，D 為圓柱直徑。坐標(biāo)原點(diǎn) O 位于圓柱中心，坐標(biāo)軸如圖所示，X 軸正方向?yàn)榱飨�，Y 軸正方向?yàn)闄M向。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O353.4

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