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流固耦合

流固耦合(Fluid-Structure Interaction, FSI)是流體力學與固體力學交叉形成的一門力學分支,主要研究流體與固體之間的相互作用。這種相互作用涉及流體域和固體域的耦合,其中流體載荷作用於固體上,引起固體的變形或運動,而這些變形或運動又反過來影響流體運動,進而改變流體載荷的分布和大小。流固耦合現象廣泛存在於各種工程領域,如機械動力能源航空航天化工核工業等。

流固耦合現象的套用學科包括電力核電等。其研究歷史可以追溯到19世紀初,早期認識主要源於飛機工程中的氣動彈性問題。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質(流體和固體)之間的相互作用,這種相互作用在不同條件下可以產生多種多樣的流固耦合現象。

解決流固耦合問題的一個關鍵挑戰在於計算帶有移動邊界和移動格線的非定常流動問題。這是因為流動域的大小和形狀隨著結構的移動或變形而不斷變化。此外,耦合系統中混合了線性和非線性問題,包括對稱和非對稱矩陣,以及顯性和隱性的耦合機理,使得求解過程十分困難。

流固耦合不僅涉及機械和物理作用,還包括了熱量交換的過程,如流固耦合傳熱問題。這類問題中的熱邊界條件無法預先給定,而是受到流體與壁面之間相互作用的制約。解決這類問題的有效數值解法包括順序求解法和整場離散、整場求解方法。

總的來說,流固耦合是一個複雜但重要的研究領域,它涉及到多個學科的知識和技術,對於理解自然界中的許多現象以及解決工程實際問題都有著深遠的影響。