可壓縮流與充氣薄膜結(jié)構(gòu)耦合作用流場特性.pdf

1、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形成復雜的流場結(jié)構(gòu)，相關(guān)問題廣泛存在于工程應用中。本文采用Eulerian-Lagrangian方法研究了柱狀和平面薄膜結(jié)構(gòu)的充氣展開過程，分析了薄膜內(nèi)部可壓縮流與薄膜結(jié)構(gòu)耦合作用的流場特性，并考察了充滿柱狀薄膜與外部流場壓力波耦合作用的流場特性。主要工作和研究成果如下：
　　(1)編寫了一套適用于大變形流-構(gòu)耦合問題研究的程序。在程序中，耦合策略采用Euleria

2、n-Lagrangian方法，可壓縮流場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)動力學方程，時間推進采用四階 Runge-Kutta格式。此外，為了提高復雜問題的計算效率，程序采用并行分塊技術(shù)。
　　(2)研究了柱狀薄膜的充氣展開過程，探討了柱狀薄膜流-構(gòu)耦合作用下的可壓縮流場特性。結(jié)果表明，在柱狀薄膜的充氣展開過程中，內(nèi)部流場中會出現(xiàn)復雜的激波結(jié)構(gòu)。激波引起流動發(fā)生分離與偏轉(zhuǎn)，進而在薄膜兩端形成大尺度的旋渦

3、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中渦運動與動量輸運最劇烈的區(qū)域。可壓縮流場中的渦運動導致了薄膜兩端出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，并造成充氣過程的不穩(wěn)定。此外，通過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，薄膜的應力集中現(xiàn)象加劇且穩(wěn)定性變差。
　　(3)研究了約束條件對平面薄膜充氣展開過程的影響，分析了充氣展開過程中的可壓縮流場特性。結(jié)果表明，平面薄膜的約束條件對其內(nèi)部流場影響較小，僅對薄膜充滿外形有較明

4、顯的影響。在平面薄膜的充滿展開過程中，其內(nèi)部會出現(xiàn)局部高壓區(qū)，進而導致平面薄膜頂部出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。通過渦動力學分析發(fā)現(xiàn)，薄膜內(nèi)部流場中的渦結(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過程中并未出現(xiàn)激波結(jié)構(gòu)。此外，通過研究不同內(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特性。結(jié)果表