波狀擺動(dòng)變形體非定常粘性繞流的數(shù)值研究.pdf

1、通過數(shù)值求解二維不可壓縮流Navier-Stokes方程組,本文研究了波狀擺動(dòng)變形體的非定常粘性繞流問題。該問題描述為:粘性不可壓縮流體流過波狀擺動(dòng)變形體,變形體作橫向擺動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方式與自然界水生動(dòng)物作等速游動(dòng)時(shí)身體中線的橫向擺動(dòng)相似。波狀擺動(dòng)推進(jìn)是自然界水生動(dòng)物游動(dòng)主要采用的推進(jìn)方式。
　　本文研究對(duì)象是自然界水生動(dòng)物游動(dòng)的二維簡(jiǎn)化模型。 本文所采用的數(shù)值方法是時(shí)空有限元/伽遼金最小二乘法,該方法的特點(diǎn)是時(shí)間維和空間維均采用有限

2、元方法進(jìn)行離散,因而可以處理動(dòng)邊界、動(dòng)網(wǎng)格問題?；谟邢拊x散得到的非線性代數(shù)方程組用Newton-Raphson方法迭代求解,在子迭代步的線性方程組采用GMRES算法求解。計(jì)算網(wǎng)格隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)采用“擬彈性體”的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)策略實(shí)現(xiàn)。
　　本文發(fā)展了相關(guān)的計(jì)算程序,并計(jì)算驗(yàn)證了本文采用的算法能夠可靠地模擬研究柔性變形體的非定常粘性繞流問題。
　　本文主要分析研究了三類典型流動(dòng)問題,探討了變形體的波狀擺動(dòng)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和物體所受流體動(dòng)

3、力特征的影響,具體描述如下:
　　(1) 波動(dòng)板的粘性繞流問題 研究了等振幅和不等振幅兩類問題,著重探討了行波相速度、振幅、相對(duì)波長(zhǎng)比等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力特征的影響。研究表明:隨著行波相速度c的增加,形阻減小,甚至變?yōu)樨?fù)值,同時(shí)摩阻略有增加,流體總阻力減小,并在行波相速度大于某個(gè)特定值后變?yōu)樨?fù)值,此時(shí)波動(dòng)板受凈推力;總功耗隨著行波相速度的增加先減小后增加,在行波相速度為1.2附近存在極小值;尾跡流場(chǎng)渦的尺寸隨著行波相速度c增

4、加而減小,渦列寬度變窄,渦結(jié)構(gòu)耗散增強(qiáng);波動(dòng)板振幅增加,流體阻力減小,但是功耗增加,存在最優(yōu)振幅以合適的功耗推動(dòng)波動(dòng)板運(yùn)動(dòng);相對(duì)波長(zhǎng)比對(duì)于波動(dòng)板的側(cè)向力產(chǎn)生顯著的影響;與等振幅相比,振幅從頭到尾逐漸增加的波動(dòng)板能以相對(duì)較小的功耗達(dá)到減小流體阻力的效果,從而提高推進(jìn)效率。
　　(2)并聯(lián)波動(dòng)翼群的粘性繞流問題 研究了單個(gè)以及一排無窮多個(gè)波動(dòng)翼型的粘性繞流問題。對(duì)于單個(gè)波動(dòng)翼型,探討了行波利速度對(duì)波動(dòng)翼型流體動(dòng)力特征和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,

5、其主要結(jié)論與上述的波動(dòng)板繞流問題基本一致。對(duì)于一排無窮多個(gè)波動(dòng)翼型繞流問題,研究了同相和反相擺動(dòng)兩類典型情況,著重分析了翼型間的橫向距離對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流休動(dòng)力特征的影響。研究表明:對(duì)于同相擺動(dòng)情況,隨著橫向距離的增加,翼型所受流體阻力減小,總功耗減小,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了三種典型的尾跡流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)模態(tài);對(duì)于反相擺動(dòng)情況,隨著橫向距離的減小,翼型所受的流體作用力增大,總功耗也增大,尾跡流場(chǎng)呈現(xiàn)反對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。
　　(3)鈍頭體-波動(dòng)板組合體的粘性繞

6、流問題 當(dāng)波動(dòng)板后體作行波擺動(dòng)時(shí),研究了后體的行波相速度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力特征的影響,發(fā)現(xiàn)行波相速度對(duì)整個(gè)組合體的動(dòng)力學(xué)特征的影響與波動(dòng)板、波動(dòng)翼型是相似的;當(dāng)后體作駐波橫向振動(dòng)時(shí),分析了不同振幅分布函數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力特征的影響,研究發(fā)現(xiàn)與行波擺動(dòng)具有相同的減阻效果時(shí),駐波擺動(dòng)消耗的功率更大,且側(cè)向力更大;研究了后體的存在及其擺動(dòng)對(duì)鈍頭體繞流的影響,結(jié)果表明,由于后體的擺動(dòng)效應(yīng),使得整個(gè)組合體的流體阻力變小,而鈍頭體的流體阻力變