模擬生物運(yùn)動(dòng)的流固耦合數(shù)值研究.pdf

1、生物運(yùn)動(dòng)中的流固耦合廣泛存在于自然界中，其數(shù)值方法和物理機(jī)理對(duì)于人們認(rèn)識(shí)生物運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要的作用，此外，此類研究有助于仿生技術(shù)的發(fā)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防事業(yè)提供技術(shù)儲(chǔ)備。本文發(fā)展了一種新的罰內(nèi)置邊界-格子玻爾茲曼方法，并圍繞柔性絲線/旗子和流體的相互作用進(jìn)行了若干研究，得出一些新的結(jié)果。主要工作和研究成果如下:
　　 (1)發(fā)展了適合于具有質(zhì)量的彈性絲線與周圍粘性流體相互作用的罰內(nèi)置邊界-玻爾茲曼方法。在這種方法中，彈性體是

2、通過(guò)將其對(duì)流體的應(yīng)力分布到周圍流體點(diǎn)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了計(jì)算絲線的慣性效應(yīng)，假定物理絲線僅含有彈性特性，并與流體直接作用;引入只有慣性特性的虛擬(ghost)絲線，它攜帶絲線的所有質(zhì)量，但不與流體直接相互作用。物理絲線和虛擬絲線之間通過(guò)虛擬彈簧相連，使得物理絲線和虛擬絲線的綜合行為和原來(lái)絲線相當(dāng)。這樣處理能增加數(shù)值穩(wěn)定性，打破了格子玻爾茲曼方法難以模擬具有質(zhì)量的彈性絲線與周圍流體相互作用的尷尬局面。
　　 (2)研究了彈性絲線和下游

3、剛體的相互作用。通過(guò)改變Reynolds數(shù)和絲線與剛體的間距，發(fā)現(xiàn)了五種耦合模態(tài)，分別為靜止?fàn)顟B(tài)、渦脫落模態(tài)、擺動(dòng)抑制模態(tài)、解耦模態(tài)和擺動(dòng)增益模態(tài)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)絲線擺動(dòng)加劇是由于兩體渦的同步與合并引起的，而奇怪的是，盡管在動(dòng)增益模態(tài)中絲線擺動(dòng)振幅很大，但絲線仍然獲得很好的減阻效果，這是圓柱阻塞效應(yīng)引起的絲線背風(fēng)面壓力提升和減小絲線有效來(lái)流速度引起的。絲線和剛體相互作用的定性結(jié)果與絲線長(zhǎng)度和質(zhì)量比沒(méi)有太大關(guān)系，此外，處于尾跡區(qū)的剛體總是

4、獲得減阻。
　　 (3)研究了三根并行排列絲線的耦合擺動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)地改變絲線間的側(cè)向距離，發(fā)現(xiàn)了七個(gè)不同的絲線耦合模態(tài)，包括單絲模態(tài)、對(duì)稱模態(tài)、反相擺動(dòng)模態(tài)、半頻擺動(dòng)模態(tài)、無(wú)理頻率擺動(dòng)模態(tài)、同相擺動(dòng)模態(tài)和不規(guī)則擺動(dòng)模態(tài)。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化的分析，在絲線尾跡中發(fā)現(xiàn)了四種渦結(jié)構(gòu)，包括合并渦結(jié)構(gòu)、對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)、不規(guī)則渦結(jié)構(gòu)和獨(dú)立渦結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，渦結(jié)構(gòu)與絲線耦合模態(tài)和動(dòng)力學(xué)特征有密切的關(guān)系。此外，在不同的模態(tài)中，絲線的機(jī)械能

5、不同，低機(jī)械能的模態(tài)更容易被激發(fā)。
　　 (4)研究了均勻來(lái)流中三維旗子擺動(dòng)的流固耦合。在數(shù)值模擬中，觀察到無(wú)質(zhì)量旗子的整體穩(wěn)定性行為，即無(wú)論其他參數(shù)是什么或者擾動(dòng)有多大，旗子總會(huì)恢復(fù)到靜止伸展?fàn)顟B(tài)。在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)存在雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，即在不同的初始擾動(dòng)之下，旗子可能恢復(fù)到靜止伸長(zhǎng)狀態(tài)(擾動(dòng)較小時(shí))，也可能會(huì)失穩(wěn)進(jìn)入持續(xù)擺動(dòng)狀態(tài)(擾動(dòng)較大時(shí))。將Squire定理加以推廣，可以解釋三維旗子的穩(wěn)定性和二維絲線情況的區(qū)別和聯(lián)系。此