重力场内流体—纤维流固耦合研究

论文摘要

本文由喷气织机气流引纬运动提出流体-纤维耦合的动力学问题,以探究计及重力场的流体与柔性体耦合的动力行为及其内在规律为研究目的,基于格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）、浸入边界法（Immersed Boundary Method,IBM）和动量交换原理（Momentum Exchange,ME）结合的ME-IBM-LBM理论,采用有限差分法（Finite Difference Method,FDM）对二维空间里受重力场影响的单根柔性纤维在均匀流场中的运动特性进行了数值模拟,分别探究了纤维一端固定和两端自由释放模型中单根柔性纤维在多场耦合作用下的动态响应。结合数值模拟和实验测试组合的方法,通过对不同实验条件下纱线运动状态的记录、后处理、分析,发现实验结果和数值仿真结论具有较好的一致性。本课题的研究成果对纺织领域中的气流引纬等工程实践具有一定的理论指导价值,且为柔性体方向的流固耦合研究提供一种更精确、合理的数值模拟方法。本文具体工作为:（1）采用ME-IBM-LBM方法对经典的圆柱绕流算例进行数值模拟,分析雷诺数分别为20、40和100条件下流场的流动状态,计算得到升力系数Ce、阻力系数Cd与循环长度Lc等相似性准则参数,并与已有文献中的对应数值进行对比发现结果基本一致,验证了本文流固耦合方法的可靠性。（2）针对纤维一端固定模型,本文基于ME-IBM-LBM理论和FDM方法,首次对重力场内流体-纤维进行双向流固耦合仿真,以流场入口流速U0、纤维的线密度M和长度Lx为设计变量,模拟了纤维末端点振幅随时间的变化特性,研究了 U0、M、Lx三个变量对多场耦合模型中纤维达到平衡状态的影响关系。研究结果表明,在一定的U0、Lx、M条件下,一端固定柔性纤维运动在多场耦合作用下有稳态与非稳态两种基本运动形式,与实际情况相符。根据模拟数据分析,发现纤维可在以下三种多场耦合模型中呈现稳态运动:（1）若U0=0.02、Lx=30,M应小于0.2;（2）若M=0.25、U0=0.02,Lx应小于 26;（3）若 M=0.3、Lx=36,U0应大于 0.06。（3）针对纤维两端自由释放模型,采用等速加元法模拟纤维等速释放条件,设置释放速度Vr为0.05U、0.01U、0.2U,分别对纤维密度为0.2、0.3、0.5的耦合模型进行了三种释放速度的数值模拟。由仿真结果可发现:第一,在一定条件范围内,随着纤维释放速度的增加,纤维飞行速度增加,末端振幅也随之增大,纤维有效飞行距离呈先增大后减小的趋势;第二,纤维质量跟线密度大小呈正比关系,线密度增大导致纤维质量增加,波动频率下降,且纤维末端点下降速率增大,纤维有效飞行距离也呈现出先增大后减小的现象。（4）以喷气织机气流引纬机构为设备基础并建立实验平台,以规格为50s/1、30s/1、20s/1的纱线为实验对象,分别对纱线一端固定和等速释放模型进行了气流引纬实验。通过MATLAB和相关图像处理软件对实验数据进行后处理,并与数值仿真结果进行对比,发现理论分析中纤维在多场耦合模型中的动态特性与实际实验测试中纱线的运动现象基本吻合,从而验证了本文数值模拟结论的准确性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的研究背景
•     1.1.1 流固耦合现象
•     1.1.2 喷气织机及其流固耦合问题
•   1.2 喷气织机引纬系统
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 柔性体流固耦合研究现状
•     1.3.2 流固耦合数值方法研究现状
•   1.4 本文研究的目的和主要内容
•   1.5 本章小结
• 第二章 流固耦合数值分析方法
•   2.1 格子玻尔兹曼方法（LBM）
•     2.1.1 格子玻尔兹曼方程（LBE）
•     2.1.2 碰撞模型和平衡分布函数
•     2.1.3 LBM边界处理
•     2.1.4 格子单位和物理单位的转换
•   2.2 纤维运动数学模型
•   2.3 浸入边界方法（IBM）
•     2.3.1 IBM的原理
•     2.3.2 ME-IBM-LBM方法
•   2.4 流固耦合求解流程
•   2.5 本章小结
• 第三章 数值方法验证及数值模拟
•   3.1 算例验证
•     3.1.1 圆柱绕流
•     3.1.2 算例参数定义
•     3.1.3 算例设置
•     3.1.4 模拟结果与分析
•   3.2 矩形障碍流分析
•     3.2.1 数学模型
•     3.2.2 矩形障碍流流场分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 重力场内纤维-流体多场耦合分析
•   4.1 一端固定纤维多场模型
•     4.1.1 一端固定数学模型
•     4.1.2 多场耦合中纤维运动状态
•     4.1.3 多场耦合分析
•   4.2 自由端纤维多场模型
•     4.2.1 自由端数学模型
•     4.2.2 自由端模型数值分析
•     4.2.3 相关参数对算法稳定性影响
•   4.3 本章小结
• 第五章 纤维在重力场和气流作用下的运动实验
•   5.1 实验理论和方法
•   5.2 一端固定纱线的气流引纬实验
•   5.3 等速释放纱线的气流引纬实验
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 本文创新点
•   6.3 进一步工作的建议
• 参考文献
• 攻读学位期间本人公开发表的论文及获奖情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵冉

导师: 冯志华

关键词: 重力场,格子玻尔兹曼方法,浸入边界法,柔性纤维,流固耦合

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,轻工业手工业

单位: 苏州大学

分类号: TS103.337.1;O353.4

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001288

总页数: 83

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