本文選題：數(shù)值方法　切入點(diǎn)：流固耦合　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：本文主要發(fā)展了一種可以用于處理粘彈性流體流固耦合的數(shù)值方法,并用該方法模擬了單根柔性絲線和鉸接在固定圓柱后端的柔性絲線在粘彈性流體中的流固耦合問題。主要工作及研究成果如下:(1)發(fā)展了一套模擬粘彈性流體流固耦合的有效數(shù)值方法,其中:采用格子波爾茲曼方法(LBM)求解不可壓Navier-Stokes(N-S)方程;非線性有限元方法(nFEM)求解柔性固體的運(yùn)動(dòng)方程;有限差分方法(FDM)求解粘彈性流體的本構(gòu)方程,其中對(duì)流項(xiàng)離散采用無震蕩的高階迎風(fēng)格式(VONOS格式);最后,采用罰方法的浸沒邊界方法實(shí)現(xiàn)流固耦合。(2)驗(yàn)證了該方法的可靠性。通過模擬粘彈性流體的二維伯肖葉流動(dòng),將計(jì)算結(jié)果與該問題解析解進(jìn)行對(duì)比;計(jì)算經(jīng)典的圓柱繞流問題,與前人的工作進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法中粘彈性流體運(yùn)動(dòng)方程求解器的可靠性。另外,通過模擬牛頓流體中絲線的拍動(dòng)問題,并與前人結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了流固耦合求解器的可靠性。(3)研究流體彈性效應(yīng)對(duì)單根絲線拍動(dòng)特性的影響。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于流體彈性效應(yīng)較弱的情況(We20),柔性絲線從穩(wěn)定(靜止)模態(tài)過渡為周期性拍動(dòng)模態(tài)的臨界質(zhì)量比隨著We數(shù)的增加顯著增大;而對(duì)于彈性效應(yīng)較強(qiáng)的情況(We20),臨界質(zhì)量比隨著We數(shù)的增加漸近地趨于一常值。另外還發(fā)現(xiàn),當(dāng)質(zhì)量比給定時(shí),拍動(dòng)絲線的阻力系數(shù)、拍動(dòng)幅值和拍動(dòng)頻率均隨We數(shù)的增加而減小。以上發(fā)現(xiàn)表明,流體彈性效應(yīng)的增強(qiáng)對(duì)絲線拍動(dòng)和尾跡流動(dòng)失穩(wěn)脫渦具有明顯的抑制作用。(4)研究了流體彈性效應(yīng)對(duì)鉸接在固定圓柱后的絲線拍動(dòng)特性的影響。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),在粘彈性流體中,圓柱后的絲線的運(yùn)動(dòng)模態(tài)除了簡單的對(duì)稱模態(tài)(模態(tài)S)和非對(duì)稱模態(tài)(模態(tài)A),還存在著一種過渡模態(tài)(模態(tài)I),絲線從模態(tài)A轉(zhuǎn)變到模態(tài)S的臨界長度LAS以及從模態(tài)A轉(zhuǎn)變到模態(tài)I的臨界長度LAI均隨著流體彈性的增強(qiáng)而增加。同時(shí),計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn),不同長度、不同抗彎剛度的絲線所受的阻力隨著We數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。
[Abstract]:In this paper, a numerical method for fluid-solid coupling of viscoelastic fluids is developed. This method is used to simulate the fluid-solid coupling problem between a single flexible wire and a flexible wire hinged at the end of a fixed cylinder in viscoelastic fluid. The main work and research results are as follows: 1) A set of simulated viscoelastic fluid fluid-solid has been developed. Coupled effective numerical method, The lattice Boltzmann method is used to solve the incompressible Navier-Stokes N-S equation; the nonlinear finite element method is used to solve the motion equation of flexible solid; and the finite difference method is used to solve the constitutive equation of viscoelastic fluid. The convection term is discretized by the high-order upwind scheme without oscillations, and the Vonos scheme is used. Finally, the method is proved to be reliable by using the immersion boundary method of penalty method to realize fluid-solid coupling. The computational results are compared with the analytical solution of the problem, the classical cylinder flow problem is calculated and compared with the previous work, which verifies the reliability of the viscoelastic fluid motion equation solver in this method. By simulating the flapping of filaments in Newtonian fluid and comparing with the previous results, the reliability of fluid-solid coupling solver is verified. In the case of weak elastic effect of fluid, the critical mass ratio of flexible wire from stable (static) mode to periodic flapping mode increases significantly with the increase of We number. For the case of strong elastic effect, the critical mass ratio gradually tends to a constant with the increase of We number. It is also found that when the mass ratio is given, the drag coefficient of the flapping thread is obtained. The amplitude and frequency of flapping decrease with the increase of We number. The enhancement of fluid elastic effect has obvious inhibitory effect on filaments flapping and wake flow instability and devortex. The influence of fluid elastic effect on filaments flapping behind fixed cylinder is studied. The calculated results show that in viscoelastic fluids, In addition to the simple symmetric mode (mode S) and asymmetric mode (mode A), there exists a transition mode (mode I _ (1)), the critical length of the silk line from mode A to mode S (LAS) and the mode (mode). The critical length LAI of the transition from state A to mode I increases with the enhancement of fluid elasticity. It is also found that the resistance of the silk lines with different lengths and different bending stiffness varies with the increase of the number of We.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O353.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 剛芹果;粘彈性流體在旋轉(zhuǎn)圓盤上的流動(dòng)[J];力學(xué)與實(shí)踐;2000年03期

2 潘璐,游雄;非線形粘彈性流體的穩(wěn)定化有限元方法研究[J];四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年05期

3 梁基照;粘彈性流體的入口收斂流動(dòng)[J];力學(xué)進(jìn)展;1993年02期

4 崔桂香，，柴天峰;粘彈性流體平面收縮流動(dòng)的數(shù)值模擬[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);1995年05期

5 劉慈群，黃軍旗;環(huán)空套管內(nèi)粘彈性流體[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)報(bào);1996年01期

6 張宏偉;魯祖亮;蔡海濤;;定常粘彈性流體的最小二乘混合有限元[J];懷化學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué));2006年08期

7 T·哈亞特;M·穆斯塔法;黃鋒;;粘彈性流體流經(jīng)作依賴時(shí)間運(yùn)動(dòng)伸展面的三維流動(dòng)及其傳質(zhì)問題[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);2011年02期

8 江體乾,A.B.Metzner;壁滑移對(duì)粘彈性流體在小流道內(nèi)流動(dòng)的影響[J];華東化工學(xué)院學(xué)報(bào);1987年04期

9 周美娟;粘彈性流體的記憶行為[J];井岡山師范學(xué)院學(xué)報(bào);1994年06期

10 朱克勤;楊迪;胡開鑫;;粘彈性流體的分?jǐn)?shù)元模型及圓管起動(dòng)流[J];力學(xué)季刊;2007年04期

相關(guān)會(huì)議論文 前6條

1 牛小靜;余錫平;;粘彈性流體周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探討[A];第七屆全國水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第十九屆全國水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集（上冊(cè)）[C];2005年

2 宣岸卿;李芳;尹協(xié)振;;粘彈性流體的后臺(tái)階流動(dòng)[A];中國力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

3 楊迪;胡開鑫;朱克勤;;粘彈性流體分?jǐn)?shù)元模型研究[A];北京力學(xué)會(huì)第14屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2008年

4 林藝揚(yáng);韓雪;黃建濱;;一類具有pH響應(yīng)的粘彈性流體[A];中國化學(xué)會(huì)第26屆學(xué)術(shù)年會(huì)膠體與界面化學(xué)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2008年

5 朱克勤;楊迪;胡開鑫;;粘彈性流體的分?jǐn)?shù)元模型及圓管起動(dòng)流[A];第十屆全國環(huán)境與工業(yè)流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2007年

6 喬燕;林藝揚(yáng);黃建濱;;金屬離子誘導(dǎo)陰離子/兩性離子表面活性劑體系形成粘彈性流體[A];中國化學(xué)會(huì)第26屆學(xué)術(shù)年會(huì)膠體與界面化學(xué)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 王璐;粘彈性流體湍流減阻流動(dòng)大渦數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 李小斌;粘彈性流體微尺度流動(dòng)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

3 蔡偉華;粘彈性流體各向同性湍流特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

4 錢建禎;粘彈性流體力學(xué)Oldroyd模型的數(shù)學(xué)理論[D];北京大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李瑞;不可壓縮粘彈性流體方程組光滑解的性質(zhì)[D];河南理工大學(xué);2014年

2 張震;運(yùn)動(dòng)平板引發(fā)的粘彈性流體流動(dòng)傳熱研究[D];北京建筑大學(xué);2016年

3 張珈銘;應(yīng)用有限元方法模擬粘彈性流體典型流動(dòng)的研究[D];西華大學(xué);2016年

4 盧楊;粘彈性流體流固耦合的數(shù)值模擬研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

5 周文武;粘彈性流體基納米流體導(dǎo)熱系數(shù)與粘度研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

6 徐鴻鵬;粘彈性流體基納米流體流變學(xué)物性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

7 曹陽;粘彈性流體微通道流動(dòng)特性及其強(qiáng)化混合應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

8 王璐;粘彈性流體強(qiáng)迫各向同性湍流大渦數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

9 鄭智穎;FLUENT在粘彈性流體流動(dòng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 陳靜;SPH加速粘彈性流體的實(shí)時(shí)模擬方法[D];燕山大學(xué);2013年

本文編號(hào)：1654664