● 摘要
流-固耦合现象广泛存在于各种交通运输工具中。对系列车型开发而言，提供快速而准确的尺度缩放方法用于预测流场中不同尺度结构的响应至关重要。因此，研究流-固耦合问题的尺度律不仅具有工程应用价值，也有助于在产品设计初期缩短开发周期并降低开发成本。
本文首先以小尺度、水下转动机构的流-固耦合实验为基础，以量纲分析法为工具，分别对流场中转板自驱动、靠流体驱动自由转动以及流体驱动转动后撞击限位杆等三类不同的流-固耦合问题进行尺度律分析，推导了第一、二类流-固耦合问题的尺度律关系，并通过有限元仿真验证了理论结果。
其次，对于无法兼顾流体及固体尺度律的第三类流-固耦合问题，提出基于小尺度流-固耦合实验的分段式验证方法，可有效地通过有限元仿真预测原型的流-固耦合响应。利用双向耦合的仿真方法，计算并分析了结构尺度缩比、流场粘性系数和结构场弹性模量等参数对于流-固耦合现象中的流体速度和、压强、和结构变形、、应力和以及应变等响应量的影响。
最后，对充液的复合夹层容器——汽车燃油箱的流-固耦合问题进行了研究。通过材料力学实验获得了复合多层材料和单层HDPE材料的力学参数，利用双向流-固耦合的有限元仿真方法，分别对这两种材料的燃油箱在静态充液和跌落工况进行仿真，对比了相应的应力和应变。
研究表明：基于量纲分析的尺度律推导法并不适用于所有类型的流-固耦合问题。对量纲分析法不能直接推导出尺度律的第三类问题，分段式验证方法可利用小尺度实验有效预测原型响应。对第一、二类流固耦合问题，较大的尺度缩比和粘性系数和较小的弹性模量，将导致较大的尺度律偏差。对汽车燃油箱，虽然复合夹层结构在阻渗性上具有优势，但在刚度和强度上并不显著优于单层HDPE材料。