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基于当地DFD的自推进游动数值模拟

作　者: 付登科
导　师: 周春华
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 流体力学
关键词: 当地DFD方法自推进游动流固耦合边界嵌入方法运动边界问题边界非协调类方法
分类号: O357.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 34次
引　用: 1次
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内容摘要

本文应用当地DFD(Domain-Free-Discretization)方法对类鱼体在粘性流体中的自推进游动进行了研究。自推进问题的求解是对不可压流体运动的N-S方程和物体运动的牛顿方程进行的耦合求解。鱼体的变形在当地坐标系下是给定的,而鱼体的质心位置和体轴方向取决于流体作用力(矩);另一方面,流体作用力(矩)又与鱼体的姿态有关。DFD方法中,空间离散与解域无关,解域内部点上控制方程的离散形式可与解域外部的某些点相关。通过基于无滑移物面边界条件和当地法向动量方程的线性外插,获得解域外部相关点上的流动变量值。应用DFD方法模拟运动边界绕流,网格是固定不变的;无需在每个时间步上进行网格处理以及网格间的数据传递。与传统方法相比,该方法以直接的方式模拟涉及多个大变形、任意运动物体的流动,提高了计算效率和精度。本文的数值实验包括三个部分:(1)通过经典的圆柱-阻尼系统涡激振动的数值模拟,验证了当地DFD方法应用于流固耦合问题的可靠性;(2)对单个类鱼体的自推进游动进行数值模拟,获得了类鱼体自推进游动的参数和流场特征,并将计算结果与参考文献数据进行比较,进一步验证了当地DFD方法在处理复杂运动边界流固耦合问题时的可靠性;(3)对多个类鱼体自推进游动进行探索性模拟,并给出了合理分析。通过对类鱼体自推进游动的数值模拟,显示了当地DFD方法在处理生物流体动力学问题方面具有巨大的潜力。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-17
  1.1 研究背景  12-15
    1.1.1 运动边界绕流处理方法研究概况  12-14
    1.1.2 鱼类自推进问题研究概况  14-15
  1.2 本文工作  15-17
第二章非定常不可压N-S方程的当地DFD方法  17-31
  2.1 前言  17
  2.2 控制方程  17-18
  2.3 空间离散  18-20
  2.4 时间推进和预处理  20-22
  2.5 时间步长  22-23
  2.6 人工耗散  23-24
  2.7 边界条件及域外相关点上流动变量的确定  24-30
    2.7.1 远场边界条件  24
    2.7.2 物面边界条件  24-27
    2.7.3 域外相关点上流动变量值的确定  27-30
  2.8 小结  30-31
第三章类鱼体的描述模型  31-37
  3.1 前言  31
  3.2 几何模型  31-32
  3.3 确定模型参数  32-36
  3.4 小结  36-37
第四章流固耦合求解  37-46
  4.1 前言  37-38
  4.2 物体运动的控制方程  38-40
  4.3 耦合求解过程  40-44
    4.3.1 启动条件  40-41
    4.3.2 耦合求解  41-44
  4.4 小结  44-46
第五章数值实验  46-66
  5.1 验证算例：圆柱-阻尼系统的涡激振动  46-49
  5.2 单鱼自推进游动  49-55
  5.3 双鱼自推进游动  55-66
    5.3.1 相向游动  55-61
    5.3.2 同向游动  61-66
第六章总结与展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 主要结论  67
  6.3 进一步研究工作的展望  67-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
在学期间的研究成果及发表的学术论文  74

基于当地DFD的自推进游动数值模拟

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