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不可压粘性流的流固耦合问题一直是计算流体力学研究的热点和难点。在过去的几十年里,人们主要用贴体网格法对这类问题进行数值模拟,并取得了巨大的成功。但随着研究的深入,特别是在处理具有复杂几何外形的固体边界或动边界问题中,传统的贴体网格方法遇到了越来越多的困难,其计算效率和计算精度因受到网格重生、动网格处理和泊松方程求解等限制而大大下降。为了解决上述困难,内置边界法(IBM)等非贴体网格计算方法迅速发展起来,已经成为流固耦合问题数值研究的重要手段。
本文首先针对当前常用的混合内置边界法存在的困难,提出了一类改进的混合内置边界法。该方法以虚拟点内置边界法为基础,采用二阶泰勒级数展开多项式重构虚拟点上的速度值。由于倒数权方法满足局部极大和光滑插值的特性,因此采用倒数权方法插值求得级数多项式中的导数项。改进的混合内置边界法避免了以往多项式重构由矩阵转置造成的数值不稳定性,并能在边界附近合理地进行插值处理。为验证改进的混合内置边界法的有效性和可靠性,本文对一些典型流动问题进行了数值模拟,包括圆柱、圆球、并排圆柱和交错排列的圆柱阵列的绕流问题。计算结果表明改进的混合内黄边界法能有效处理不可压粘性流和刚性静止固壁相互作用问题。
针对动边界问题流动问题,本文采用了内置边界一格子玻尔兹曼法(LBM)研究了地面效应对昆虫悬停飞行的影响。内置边界-格子玻尔兹曼法以Peskin内置边界法的边界处理为基础,将传统的格子玻尔兹曼法拓展到流固耦合问题的研究中。该方法已被证明能准确、高效地求解不可压Navier-Stokes方程。在数值模拟中,本文采用了置于地面附近同时做平动和转动的椭圆翼模型,研究揭示地面效应对非定常气动力和涡结构影响的物理机制。文中针对多个控制参数,包括翼型中心到地面的距离、拍动平面夹角、最大转动角以及平动和转动之间的相位差,进行系统的数值计算,分析了地面效应对竖直悬停模式和蜻蜒悬停模式的影响。