充氣薄膜是一種具有大變形特征的柔性體結(jié)構(gòu),其與可壓縮流的耦合作用會(huì)形成復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),相關(guān)問(wèn)題廣泛存在于工程應(yīng)用中。本文采用Eulerian-Lagrangian方法研究了柱狀和平面薄膜結(jié)構(gòu)的充氣展開(kāi)過(guò)程,分析了薄膜內(nèi)部可壓縮流與薄膜結(jié)構(gòu)耦合作用的流場(chǎng)特性,并考察了充滿柱狀薄膜與外部流場(chǎng)壓力波耦合作用的流場(chǎng)特性。主要工作和研究成果如下:(1)編寫(xiě)了一套適用于大變形流-構(gòu)耦合問(wèn)題研究的程序。在程序中,耦合策略采用Eulerian-Lagrangian方法,可壓縮流場(chǎng)求解采用基于特征分裂的七階WENO格式,采用有限元方法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程,時(shí)間推進(jìn)采用四階Runge-Kutta格式。此外,為了提高復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算效率,程序采用并行分塊技術(shù)。(2)研究了柱狀薄膜的充氣展開(kāi)過(guò)程,探討了柱狀薄膜流-構(gòu)耦合作用下的可壓縮流場(chǎng)特性。結(jié)果表明,在柱狀薄膜的充氣展開(kāi)過(guò)程中,內(nèi)部流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)。激波引起流動(dòng)發(fā)生分離與偏轉(zhuǎn),進(jìn)而在薄膜兩端形成大尺度的旋渦結(jié)構(gòu)�；贚amb矢量散度和旋度的分析發(fā)現(xiàn),薄膜表面和激波附近是流場(chǎng)中渦運(yùn)動(dòng)與動(dòng)量輸運(yùn)最劇烈的區(qū)域�？蓧嚎s流場(chǎng)中的渦運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了薄膜兩端出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象,并造成充氣過(guò)程的不穩(wěn)定。此外,通過(guò)薄膜表面的受力分析發(fā)現(xiàn),隨著充氣壓力與速率的增大,薄膜的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇且穩(wěn)定性變差。(3)研究了約束條件對(duì)平面薄膜充氣展開(kāi)過(guò)程的影響,分析了充氣展開(kāi)過(guò)程中的可壓縮流場(chǎng)特性。結(jié)果表明,平面薄膜的約束條件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)影響較小,僅對(duì)薄膜充滿外形有較明顯的影響。在平面薄膜的充滿展開(kāi)過(guò)程中,其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部高壓區(qū),進(jìn)而導(dǎo)致平面薄膜頂部出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。通過(guò)渦動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),薄膜內(nèi)部流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)主要位于薄膜表面附近,這與平面薄膜周邊受到約束有關(guān)。正如此,平面薄膜的充氣展開(kāi)過(guò)程中并未出現(xiàn)激波結(jié)構(gòu)。此外,通過(guò)研究不同內(nèi)壓和約束條件下的平面薄膜充滿形態(tài),獲得了平面薄膜的充滿外形隨內(nèi)壓的變化規(guī)律,以及約束條件的影響。(4)研究了充滿柱狀薄膜與外部壓力波耦合作用下的可壓縮流場(chǎng)特性。結(jié)果表明,入射激波與薄膜耦合作用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的激波反射現(xiàn)象,進(jìn)而在薄膜兩側(cè)形成三波點(diǎn)及馬赫桿。受馬赫桿和高壓氣體的影響,馬赫桿后方的流場(chǎng)中會(huì)形成新的再壓縮激波結(jié)構(gòu)。發(fā)生繞射的馬赫桿在薄膜背風(fēng)面相交,形成復(fù)雜的強(qiáng)間斷結(jié)構(gòu)。在外部激波和強(qiáng)壓縮波的作用下,柱狀薄膜的迎風(fēng)面發(fā)生凹陷,并在其兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外,研究了不同流場(chǎng)參數(shù)條件下的充滿柱狀薄膜與外部壓力波耦合作用過(guò)程,得到了流場(chǎng)參數(shù)對(duì)該耦合過(guò)程的影響規(guī)律。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：O484
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
注釋表
縮略詞
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 充氣薄膜結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
    1.3 流-構(gòu)耦合作用的數(shù)值模擬方法
    1.4 本文的結(jié)構(gòu)安排和主要工作
第二章 數(shù)值計(jì)算方法
    2.1 耦合策略
        2.1.1 基本思想
        2.1.2 Level Set函數(shù)
        2.1.3 Ghost Fluid方法
        2.1.4 程序計(jì)算流程
    2.2 充氣薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)有限元方法
        2.2.1 完全拉格朗日弱解形式
        2.2.2 薄膜單元的有限元描述
        2.2.3 非線性有限元求解方法
        2.2.4 時(shí)間推進(jìn)方法
    2.3 可壓縮流動(dòng)的數(shù)值模擬方法
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 求解方法
    2.4 符號(hào)距離函數(shù)的計(jì)算方法
        2.4.1 符號(hào)距離函數(shù)的基本概念
        2.4.2 符號(hào)距離函數(shù)的符號(hào)判斷方法
        2.4.3 符號(hào)距離函數(shù)計(jì)算程序的驗(yàn)證
    2.5 計(jì)算機(jī)集群的搭建與并行算法
        2.5.1 計(jì)算機(jī)集群的搭建
        2.5.2 基于MPI的并行策略
第三章 柱狀薄膜的充氣展開(kāi)過(guò)程
    3.1 引言
    3.2 算例驗(yàn)證
        3.2.1 激波與氣泡相互作用
        3.2.2 激波與薄膜的相互作用
        3.2.3 不同內(nèi)壓作用下柱狀薄膜的充滿形狀
    3.3 柱狀薄膜展開(kāi)過(guò)程的數(shù)值模擬
        3.3.1 瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)
        3.3.2 柱狀薄膜動(dòng)力學(xué)特性的變化
        3.3.3 入口氣流參數(shù)對(duì)充氣過(guò)程的影響
    3.4 本章小結(jié)
第四章 平面薄膜的充氣展開(kāi)過(guò)程
    4.1 引言
    4.2 物理模型和計(jì)算驗(yàn)證
        4.2.1 物理模型和計(jì)算參數(shù)
        4.2.2 數(shù)據(jù)處理
        4.2.3 計(jì)算驗(yàn)證
    4.3 計(jì)算結(jié)果和討論
        4.3.1 周邊全約束的圓形平面薄膜充氣過(guò)程
        4.3.2 周邊僅約束垂直方向位移的圓形平面薄膜充氣過(guò)程
        4.3.3 周邊全約束的矩形平面薄膜充氣過(guò)程
        4.3.4 周邊僅約束垂直方向位移的矩形平面薄膜充氣過(guò)程
        4.3.5 不同內(nèi)壓條件下平面薄膜充滿形態(tài)的靜力學(xué)分析
    4.4 本章小結(jié)
第五章 外部壓力波與已充滿柱狀薄膜的耦合作用過(guò)程
    5.1 引言
    5.2 計(jì)算模型及參數(shù)
    5.3 計(jì)算結(jié)果和討論
        5.3.1 瞬態(tài)流動(dòng)特性
        5.3.2 柱狀薄膜動(dòng)力特性的變化
        5.3.3 外部高壓氣源壓力的影響
        5.3.4 柱狀薄膜內(nèi)壓的影響
        5.3.5 外部流場(chǎng)壓力的影響
    5.4 本章小結(jié)
第六章 工作總結(jié)和研究展望
    6.1 工作總結(jié)
    6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)
    6.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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