薄膜的流固耦合数值模拟

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本文主要通过流固耦合算法模拟了二维和三维的柔性生物薄膜在流场中的变形和运动问题。主要工作及研究成果如下:  (1)格子波尔兹曼方法用于模拟流体流动。格子弹簧模型和有限元方法用来模拟二维薄膜变形,有限元方法用来模拟三维薄膜。此外还采用了网格加密技术-多块网格,流固耦合方法-浸没边界法和插值反弹格式。  (2)通过格子波尔兹曼方法和格子弹簧模型,并通过插值反弹格式耦合起来研究了在二维管道中胶囊的筛选问题。将胶囊放置在由压力驱动的分叉管道内,由于两个出口的压力差值,胶囊会选择不同的出口,这与胶囊的刚度有关,具有不同刚度的胶囊会在一个特定的出口压力下选择不同的出口,这样就能仅仅利用胶囊的力学性质筛选出需要的刚度的胶囊。  (3)研究了三维的胶囊在一般流动中的变形和运动问题。在以前的研究中,一般将胶囊放置在简单剪切流动中分析,得到了胶囊的几种运动模态,翻转模态、摆动模态和履带式行进模态。本文从理论分析推导开始,研究了胶囊在一般流动中的变形和运动情况,推导出了两个无量纲参数,并预测了过渡模态的存在。在理论的指导下进行数值模拟,发现了一种新的过渡模态,即翻转向摆动过渡,然后再回到翻转。并对此作出了相应的分析和解释。  (4)研究了两个串联放置的柔性环的相互作用。两个环的前端都固定,在均匀来流下,两个环可能都会摆动,研究了它们的阻力系数,发现两个环相距较近时都存在减阻现象,并且发现了后面的环在一定的距离下会出现阻力的一个突变,从摆动、平均流场和能量吸收的角度分析该现象。
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