二维流场中板状柔性体与流体相互作用的研究

论文摘要

板状柔性体与流体相互作用的现象广泛存在于自然界和人们的日常生产生活中。通过研究这一问题,可以揭示板状柔性体在流体诱导下发生摆动的机理、柔性体与流体间的能量交换过程以及通过流体传递柔性体间相互作用的机制。深入研究这一现象不仅可以帮助人们更好地认识自然界的奥秘,还可以使人们在掌握流体与柔性体相互作用机理的基础上设计、制造或改进一些机械装置,使其能充分利用自然界流场中蕴含的能量。本文通过在肥皂膜水洞装置中放置柔性细丝研究了二维流场中板状柔性体与流体的相互作用。在本文中具体讨论了以下内容:1、开展了板状柔性体在均匀来流中摆动的实验,研究了在肥皂膜水洞中开展这类实验的基本实验方法,实验数据处理手段和分析问题的基本理论工具,为本文研究更为复杂的问题打下了基础。2、建立了研究二维均匀来流中两个并行排列柔性板间耦合的理论模型,使用线性稳定性分析方法首次分析了柔性板间不同耦合模式的作用机理,通过两个具体的例子研究了各种耦合模式在无量纲速度与无量纲密度参数平面内以及在有量纲长度与间距参数平面内的分布,并通过实验定性验证了理论分析的结果。3、开展了前后排列的柔性体在流场中相互作用的实验研究,发现下游细丝在上游丝线产生的涡街中穿行的现象。通过对梁的振动方程的分析及对实验数据的处理,研究了细丝在相互作用过程中的受力及其能量的变化规律,结果显示了下游丝线能从涡街中获得能量,其增加能量主要用于增加动能,而上游丝线在串行干扰中受影响较小。4、将细丝置于圆柱尾迹中,研究了周期性流动诱导下柔性体的摆动问题。实验发现了细丝在圆柱尾迹诱导下的三种响应模式:在远离圆柱的卡门涡街中,柔性体以涡街的频率在漩涡中穿行并受到阻力;在圆柱的近尾迹区内,柔性体获得推力;在介于二者之间时,柔性体间歇地前后运动,并从理论上分析了三种模式的机理。本文通过实验、理论建模和分析,系统地研究了在均匀流和周期性流动中单个板状柔性体的响应以及并行排列和前后串行排列布局下两个板状柔性体之间的相互干扰问题。同时在本文中详细叙述了肥皂膜装置的设计、流场参数和细丝物理性质的测量、流场照明方法、微小力的测量等实验技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.2 文献综述及研究现状
• 1.2.1 板状柔性体和流体相互作用研究的历史与现状
• 1.2.2 肥皂膜水洞装置的演化
• 1.3 研究内容和预期结果
• 1.4 论文的结构安排
• 第2章 实验装置及实验参数测量
• 2.1 肥皂膜水洞装置
• 2.1.1 竖直肥皂膜水洞装置
• 2.1.2 水平肥皂膜水洞装置
• 2.2 照明装置
• 2.3 肥皂膜流场参数测量
• 2.3.1 粘性系数测量
• 2.3.2 表面张力系数测量
• 2.3.3 流速测量
• 2.4 细丝物性测量
• 2.4.1 线密度测量
• 2.4.2 抗弯刚度测量
• 2.5 本章小结
• 第3章 均匀流中单根细丝的摆动
• 3.1 细丝连接方式
• 3.2 细丝摆动特性
• 3.2.1 细丝的尾涡结构
• 3.2.2 细丝的摆动形态
• 3.3 细丝摆动曲线拟合
• 3.3.1 从实验图像中提取细丝曲线
• 3.3.2 细丝曲线拟合
• 3.4 力和能量的计算
• 3.4.1 能量表达式
• 3.4.2 运动控制方程
• 3.4.3 计算结果
• 3.5 稳定性分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 并行排列细丝间的相互作用
• 4.1 常见的界面耦合方式
• 4.2 理论模型与线性稳定性分析
• 4.2.1 理论模型
• 4.2.2 稳定性分析
• 4.3 两根细丝完全相同的情况
• 4.3.1 理论预测
• 4.3.2 实验研究
• 4.3.3 理论预测和实验结果的比较与分析
• 4.4 两根细丝长度不同的情况
• 4.4.1 理论分析
• 4.4.2 实验研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 串行排列细丝间的相互作用
• 5.1 常见的串行排列结构及其所包含的物理问题
• 5.2 串行细丝实验
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 流动结构特点
• 5.3 能量与力的计算分析
• 5.3.1 细丝摆动方程
• 5.3.2 细丝能量计算
• 5.3.3 作用在细丝上的力
• 5.4 本章小节
• 第6章 细丝在圆柱尾迹内的运动模式
• 6.1 自然界中广泛存在的涡及其利用
• 6.2 测力方法和装置
• 6.2.1 细丝受力的初步测量方法
• 6.2.2 悬臂梁反射激光测量法
• 6.3 实验装置与实验现象
• 6.4 理论分析与计算
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 附录 肥皂膜水洞装置装配图
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果