摘要: 流固耦合现象广泛存在于自然界和工程领域中，关于流固耦合问题的研究具有重要的学术意义和工程背景。本文采用浸入边界-格子玻尔兹曼和非线性有限单元法相结合的方法，研究了单个或多个柔性体自主推进的三个典型的流固耦合问题。本文的主要工作及结论... 展开 流固耦合现象广泛存在于自然界和工程领域中，关于流固耦合问题的研究具有重要的学术意义和工程背景。本文采用浸入边界-格子玻尔兹曼和非线性有限单元法相结合的方法，研究了单个或多个柔性体自主推进的三个典型的流固耦合问题。本文的主要工作及结论简述如下: 研究了二维柔性板在平直壁面附近的自主推进问题。结果表明，适当的板与周围流体的密度比(M)可以提高板的推进特性。对于相对较小的M，当板靠近壁面时，侧向力增强，输入功增大;对于较大的M，当平板靠近地面时，平板变形受到抑制，输入功减小。通常情况下，板的拍动越靠近壁面，推进特性就越好。当板足够靠近壁面时（在临界最小距离内），效率达到最大值的平台期。同时，对流场涡结构和压力场进行了分析。 研究了三维柔性板后缘形状对自主推进特性的影响。在本文研究中，板的尾缘是对称的“V”字形，尾缘角度φ从30°（凹板）到150°（凸板）不等。在不同的弯曲刚度K下，确定了推进速度U和效率η随φ的三种不同的变化趋势。当弯曲刚度很小、中等、较大时，方板、凸板和凹板分别获得最优的推进特性。通过流场涡结构和速度场的分析表明，通常情况下推进性能越好的板向后射流越长，射流的倾斜角越小。很小和中等弯曲刚度时，不同形状的板具有不同的推进特性，这主要是由尾缘相对于前缘的相位滞后引起。分析了作用在板上的力，发现推力主要来自法向力。若将推进速度、效率和弯曲刚度分别用法向力和面积矩重新尺度化，对于较小和中等弯曲刚度，不同尾缘形状的推进特性曲线几乎沿同一条曲线变化。归一化确定了法向力是较小和中等弯曲刚度时的特征流体力，板形状的作用受面积矩的控制。 研究了多个并排柔性板自主推进的流固耦合问题。结果表明，在不同的初始横向间距和拍动相位差下，柔性板会自发的形成一系列典型模态。在拍动板同相拍动的情况下，当N=2，随着横向间距的增大，集群由交替领先最终变为互不干扰模态，此时集群的推进特性单调递增到和单个板一致;当N＞2，初始横向间距很小时，不能形成稳定空间队形。之后，随着初始横向间距变大，依次出现交错-周期和固定交错模态。在拍动板相邻反相拍动的情况下，当板的个数为偶数时，随着横向间距的增大，集群的推进速度和效率单调递减;当板个数为奇数且个数较小时，在横向间距较小时会出现单个板位于队列最前方的情况，此时集群的推进性能比较差，随着横向间距增大，会出现两个相邻反相拍动的板位于队列最前方，此时可以提升集群的推进性能。 收起