不同外形壳体的绕流及变形分析

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在自然界和现实问题中,存在着许多的流体绕过物体的流动问题,例如风绕过建筑物,河水绕过桥墩,机翼绕流等。随着航天和船舶工程的发展,绕流问题的研究更加紧迫。由于实际工程的需要,非圆截面柱壳绕流的定性定量分析研究已成为绕流问题的一个热点。对于圆柱绕流,已经有了很多研究成果,但对于非圆截面柱壳,在数学处理上难度较大,研究成果并不多。在实际绕流中,流体由于存在粘性,因而会产生阻力。理想状态下的流体,不考虑粘性作用,没有阻力存在。对两种流体的绕流特性进行研究具有重要的理论意义,对实际问题也有很大的指导作用。利用保角变换的方法,求解了刚性椭圆柱壳和拱形薄板在理想不可压缩的势流不间断横向绕流条件下的绕流势函数和流函数,绘制出了流线和等势线的图形,验证结果的合理性。依据理想流体力学理论,若知势函数和流函数,即可推导出流体压力分布函数,进而获得壳体接触面上流体的压力分布。以简支刚性椭圆柱绕流为例,对其进行了流体压力以及流体速度的分析,讨论了他们随相关参数的变化规律。对于弹性板壳,在流体中发生相对运动时,壳体会发生形变。若壳体发生小弯曲变形,流场变化很小,可将变形前流场和变形后的流场等同起来。这样,利用有限元分析软件,把刚性壳绕流压力场作用于壳体并做壳体的静力学分析,求解出壳体的变形以及应力分布。通过具体算例,求解了弹性椭圆柱薄壳的小变形问题,讨论了相关参数的变化对壳体变形以及应力的影响,同时对圆柱壳绕流问题进行研究,绘制出相关的曲线,将两者的绕流特性比较分析。利用流体计算力学软件FLUENT对椭圆柱和拱板绕流问题进行数值模拟。分析理想流体条件下椭圆柱和拱板周围流场的流型,压力场和速度分布等。基于理论求解得到的理想流体绕椭圆流动的结果,与相应的的数值解加以比较,验证解的可信度。采用Ansys10.0的流固耦合模块对弹性椭圆柱壳和拱板绕流进行数值模拟,并与静力学分析的结果进行比较,分析误差产生的可能原因。
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