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浸入式光滑有限元法在二维扑翼流固耦合问题中的研究

姜琛  Guirong Liu  韩旭  Zhi-Qian Zhang  姚建尧  
【摘要】:本文探索了新近提出的浸入式光滑有限元法(immersed Smoothed Finite Element Method,IS-FEM)在二维扑翼问题中的应用。浸入式光滑有限元法是一种发展自浸入式边界法(immersed boundary method)的方法。它采用基于连续介质理论的光滑有限元法来求解的固体部分,而非传统浸入边界法中采用的弹性纤维来表征的固体变形。因此浸入式光滑有限元法能够更好地求解固体受流体作用的运动和变形。对流体部分,浸入式光滑有限元法采用基于特征分解(Characteristic-based split method,CBS)的半隐式有限元法求解。在流固耦合上算法上,引入了与固体域共用网格的假想流体(fictitious fluid)来求解固体上作用的流体对固体的作用力。因此无需浸入式光滑有限元法无需对流体域进行网格更新,而只需整个固体网格处于流体网格内部即可。通过与已有的刚体扑翼实验对比,浸入式光滑有限元法能够很好地求解由有限体积的固体运动而引起的流体流动。本文还模拟了柔性扑翼简化模型在水中受流体作用的大变形和其运动引起的流体流动。同时研究发现,浸入式光滑有限元对较薄扑翼简化模型所计算的升力和阻力会产生一定的数值振荡。

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