【摘 要】
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本文数值模拟研究了被动运动的柔性体在典型简单流动中的动力学特性。具体而言,研究了柔性丝线在二维渠道流(Poiseuille流)中的变形和运动,以及大刚度平直板及弯曲板的自由落体运动。对渠道流中被动运动的柔性丝线,主要探究了雷诺数Re、丝线的弯曲刚度K和渠道约束比W的影响。在宽渠道(例如:W=4)中,随着K的减小,丝线依次出现四种典型模态,即:刚体运动(rigid motion)、弹性运动(spri
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本文数值模拟研究了被动运动的柔性体在典型简单流动中的动力学特性。具体而言,研究了柔性丝线在二维渠道流(Poiseuille流)中的变形和运动,以及大刚度平直板及弯曲板的自由落体运动。对渠道流中被动运动的柔性丝线,主要探究了雷诺数Re、丝线的弯曲刚度K和渠道约束比W的影响。在宽渠道(例如:W=4)中,随着K的减小,丝线依次出现四种典型模态,即:刚体运动(rigid motion)、弹性运动(springy motion)、蛇形运动(snake motion)和复杂运动模态(complex motion)。研究发现流体惯性倾向于拉直丝线。此外,Re显著影响丝线的横向平衡位置,从而影响局部剪切速率和丝线的转动周期。对于宽渠道中的转动丝线,当Re超过一定阈值时,丝线将保持倾斜而不是转动。随着Re的进一步增加,丝线将采取摆动模式。转动周期与Re间存在一定的标度率关系。对于K的影响,通过分析周围流体产生的扭矩,发现较小的K也会减小丝线的转动速度。当W减小时,壁面约束效应会使得丝线更容易发生变形并且靠近渠道中心线,转动周期将增加且摆动模式将更为常见。当W进一步减小时,丝线将保持倾斜、抛物线状或一端弯曲的形态随流体移动。对于大刚度平直板及弯曲板的自由落体运动,主要探究了曲率(初始弯曲角α)、无量纲惯性矩I*、雷诺数Re对板的下落模态的影响。曲率(初始弯曲角)会明显改变板的下落路径。对于平直板,随着无量纲惯性矩I*的增加,依次出现摆动模态、混沌模态和转动模态。而大曲率(初始弯曲角α≥ π/4)下,板只会出现摆动模态,不会发生翻转。小曲率板在低雷诺数时的模态与平直板差异较小;而在高雷诺数下,模态间临界无量纲惯性矩I*减小,即:相对于平直板,小曲率板更容易出现转动。对于摆动模态,随着α的增加,板的横向摆动幅度和垂直摆动幅度减小,下落轨迹趋向于更窄的轮廓,且平均下落速度变慢。对于转动模态,随着α的增加,板的翻转周期增加。
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