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流固耦合力学

/fluid solid interactions/
条目作者王一伟

王一伟

最后更新 2024-12-04
浏览 157
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流体力学固体力学交叉而生成的一门力学分支。是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。

英文名称
fluid solid interactions
所属学科
力学

流固相互作用是其重要特征:固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,反过来影响流场改变流体载荷的分布和大小,从而产生了形形色色的流固耦合力学现象。

早在20世纪上半叶,流固耦合力学问题开始在各类工程问题中被发现并提出。航空领域中,早在1903年,J.N.兰利的单一飞机曾出现机翼折断的事故,1913年有报道飞艇由于整体弯曲导致失控,由此开始涌现出许多从事气动弹性研究的先驱,开展简谐振动翼型非定常气动分析、机翼颤振理论等研究工作。

土木和风工程领域中,美国学者早在1933年发表论文提出地震影响下大坝的流固耦合振动问题。1940年,著名的塔科马大桥因非定常气动激励导致桥面失稳倒塌。1965年,英国费里电厂位于阵风下游的冷却塔由于尾流激励振毁。这些在当时看来令人匪夷所思的事故,使得流固耦合力学问题备受关注。

其他领域也存在许多流固耦合力学问题,如船水耦合动力学中船体摇荡和水弹性问题;流体引起管道振动是长距离输油管道等设计的关键问题之一;液面晃荡导致液箱振荡对液体燃料火箭等设计有重要影响;水下爆炸中结构瞬态响应及流体二次加载、结构入水冲击响应等问题也都有着非常长的研究历史。

按其耦合机理可分为两大类。第一类问题:流固耦合作用仅仅发生在两相交界面处,如机翼气动弹性、输水管道振动等。第二类问题:两相域全部或者部分地重叠在一起难以明显分开,如渗流。

第一类问题按两相间相对运动的大小及作用特性还可细分为3小类(见图):①流固间存在大相对运动,如机翼颤振等;②流体有限位移的短期问题,通常由流体中爆炸或冲击引起,相互作用在瞬间完成的,如水下爆炸中的结构瞬态响应;③流体有限位移的长期问题,如近海结构对波的响应等。

三类流固耦合问题三类流固耦合问题

到20世纪下半叶,流固耦合作为一种共性的力学问题,逐渐从各类工程问题中被提炼而来,得到越来越多的专门研究。流固耦合求解策略主要包括完全耦合、紧耦合和松耦合三种:完全耦合方法是采用一套完整的控制方程来描述流体和固体,对流固变量共同求解和同步推进,但由于流固本身的介质属性差异会给求解带来较大难度;紧耦合在每个时间步都要内迭代至收敛并隐式推进,特别在处理不可压缩内流等流固耦合问题时具有较大优势;松耦合针对流体和固体域分别建立方程并通常在交界面交换数据,流固在不同时间步交替迭代并显式推进,因而容易产生较大的误差和时间延迟。

针对工程中的各种流固耦合力学问题,人们通常可采用线性理论进行简化,此类方法的大量完善和程序化,使得对于常见工程应用往往都形成了耦合载荷的计算方法和规范。以前述三种耦合策略为基础,针对复杂问题的非线性流固耦合研究也取得了长足的发展,流固耦合力学的研究已逐渐趋于成熟。

  • 张阿漫,戴绍仕.流固耦合动力学.北京:国防工业出版社,2011.
  • 邢景棠,周盛,崔尔杰.流固耦合力学概述.力学进展,1997,(1):20-39.

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