發(fā)布時間：2020-10-25 07:41

　　 充氣薄膜是一種具有大變形特征的柔性體結構,其與可壓縮流的耦合作用會形成復雜的流場結構,相關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構的充氣展開過程,分析了薄膜內(nèi)部可壓縮流與薄膜結構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-構耦合問題研究的程序。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構動力學方程,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。(2)研究了柱狀薄膜的充氣展開過程,探討了柱狀薄膜流-構耦合作用下的可壓縮流場特性。結果表明,在柱狀薄膜的充氣展開過程中,內(nèi)部流場中會出現(xiàn)復雜的激波結構。激波引起流動發(fā)生分離與偏轉,進而在薄膜兩端形成大尺度的旋渦結構。基于Lamb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)部流場中的渦結構主要位于薄膜表面附近,這與平面薄膜周邊受到約束有關。正如此,平面薄膜的充氣展開過程中并未出現(xiàn)激波結構。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。結果表明,入射激波與薄膜耦合作用過程中會出現(xiàn)復雜的激波反射現(xiàn)象,進而在薄膜兩側形成三波點及馬赫桿。受馬赫桿和高壓氣體的影響,馬赫桿后方的流場中會形成新的再壓縮激波結構。發(fā)生繞射的馬赫桿在薄膜背風面相交,形成復雜的強間斷結構。在外部激波和強壓縮波的作用下,柱狀薄膜的迎風面發(fā)生凹陷,并在其兩側出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。此外,研究了不同流場參數(shù)條件下的充滿柱狀薄膜與外部壓力波耦合作用過程,得到了流場參數(shù)對該耦合過程的影響規(guī)律。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：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 充氣薄膜結構的研究現(xiàn)狀
    1.3 流-構耦合作用的數(shù)值模擬方法
    1.4 本文的結構安排和主要工作
第二章 數(shù)值計算方法
    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 程序計算流程
    2.2 充氣薄膜結構的動力學有限元方法
        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 時間推進方法
    2.3 可壓縮流動的數(shù)值模擬方法
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 求解方法
    2.4 符號距離函數(shù)的計算方法
        2.4.1 符號距離函數(shù)的基本概念
        2.4.2 符號距離函數(shù)的符號判斷方法
        2.4.3 符號距離函數(shù)計算程序的驗證
    2.5 計算機集群的搭建與并行算法
        2.5.1 計算機集群的搭建
        2.5.2 基于MPI的并行策略
第三章 柱狀薄膜的充氣展開過程
    3.1 引言
    3.2 算例驗證
        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 柱狀薄膜展開過程的數(shù)值模擬
        3.3.1 瞬態(tài)流場結構
        3.3.2 柱狀薄膜動力學特性的變化
        3.3.3 入口氣流參數(shù)對充氣過程的影響
    3.4 本章小結
第四章 平面薄膜的充氣展開過程
    4.1 引言
    4.2 物理模型和計算驗證
        4.2.1 物理模型和計算參數(shù)
        4.2.2 數(shù)據(jù)處理
        4.2.3 計算驗證
    4.3 計算結果和討論
        4.3.1 周邊全約束的圓形平面薄膜充氣過程
        4.3.2 周邊僅約束垂直方向位移的圓形平面薄膜充氣過程
        4.3.3 周邊全約束的矩形平面薄膜充氣過程
        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)的靜力學分析
    4.4 本章小結
第五章 外部壓力波與已充滿柱狀薄膜的耦合作用過程
    5.1 引言
    5.2 計算模型及參數(shù)
    5.3 計算結果和討論
        5.3.1 瞬態(tài)流動特性
        5.3.2 柱狀薄膜動力特性的變化
        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 外部流場壓力的影響
    5.4 本章小結
第六章 工作總結和研究展望
    6.1 工作總結
    6.2 本文創(chuàng)新點
    6.3 研究展望
參考文獻
致謝
在學期間的研究成果及發(fā)表的學術論文

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本文編號：2855662