盘状物体水中自由下落动力学及稳定性研究

发布时间：2020-06-22 03:03

【摘要】：在重力或浮力驱动下流场中物体自由运动的动力学及稳定性问题,是流体力学需要解决的经典问题之一。该问题与机械工程、空气动力学、气象学以及生物力学等许多应用领域有关。本文采用实验及数值模拟方法,主要针对三方面内容进行了系统的研究与分析,其中包括:偏心圆盘水中的自由下落运动模式,风车状盘水中自由下落运动模式以及圆盘边缘上方、下方或者上下两面增加矩形凸起后下落运动模式和周围流场的变化情况。最后以热镀锌锅中V型区域锌渣来源分析为例,展现了物体在液体中升降动力学及稳定性研究的具体应用。本文主要研究工作和结论如下:(1)提出了一种不改变圆盘外形的偏心圆盘的加工方法,并采用高速相机拍摄水箱中若干不同参数偏心圆盘的自由下落运动,分析重心偏移对圆盘下落模式的影响,发现了六种全新的运动模式,其中包括:摆动主导运动、混沌主导运动、翻滚主导运动、过渡运动、滑动主导运动以及纯滑动运动。对上述新发现的运动模式按其运动形态以及运动轨迹特征进行归类后,本文提出四种偏心圆盘下落模式分类:FCT主导运动(包括摆动主导运动、混沌主导运动、翻滚主导运动)、过渡运动、滑动主导运动和纯滑动运动,并对各模式的性质及特点进行了详细介绍和分析。基于四类不同运动模式随圆盘偏心率e和无量纲转动惯量I*的变化情况,绘制了二维相图并进行了深入分析,发现偏心率e在描述偏心圆盘下落运动模式时是一个非常重要的参数。(2)证明了对于特定形状的一类风车状盘,沿着穿过盘中心的任何轴(在X-Y平面)的无量纲转动惯量I*值是相同的,因此我们只需要计算通过其中心X-Y平面上任一个方向的I*值即可。采用高速相机拍摄并分析不同形状厚度的风车状盘自由下落运动后发现,随着风车叶片数量的减少,盘在水中的稳定性增加。经过相关性分析,本文得出,在一定参数范围内,雷诺数Re以及无量纲转动惯量I*与风车状盘下落稳定性之间相关性较小,等周系数Q与盘下落稳定性之间相关性较大,盘最小半径与最大半径比R_2/R_1与盘下落稳定性之间的相关性最大。风车状盘稳定性的提高是由于附近流体围绕盘流动所致,这也导致了风车状盘最小半径与最大半径比与盘运动模式稳定性之间最具相关性。(3)结合对照组圆盘情况,通过数值模拟方法研究了圆盘边缘上方、下方或者上下两面增加矩形凸起后,三组不同类型圆盘在水中下落方向、特点、运动模式以及周围流场的变化情况。从上述三组圆盘下落过程中若干典型时刻圆盘附近一定范围的流线图及压强等值线图可以分析得出,圆盘两侧的涡变化情况可能与圆盘的倾角之间存在一定的关联。结合上述分析对本章中的四种不同类型圆盘下落过程进行稳定性排序后发现,在圆盘边缘上方、下方或者上下两面增加矩形凸起后,圆盘的稳定性都会有大幅增加。其中在边缘上方及下方均增加矩形凸起对圆盘稳定性增加效果最好;在边缘下方增加矩形凸起效果次之;在边缘上方增加矩形凸起效果再次之。(4)以热镀锌锅中V型区域锌渣来源分析为例,展现了物体在液体中升降动力学及稳定性研究的具体应用。采用数值模拟方法,从热镀锌锅内锌液流场开始分析。除了流场的基本分析之外,还重点分析了加热器对流场的影响以及锌液回流和气刀吹锌对流场的影响。在此基础上,本文采用了数值模拟方法分析了进入V型区域的锌液来源,以了解带钢上附着锌渣可能的源头,为提高热镀锌钢板质量作参考。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O35
【图文】：

6盘受无量纲转动惯量 I*和雷诺数 Re 影响的相图：稳定和）运动模式的分界曲线（图片来自论文 Willmarth，Haw我们可以看出，流体中自由下落圆盘稳定和不稳定其中不稳定区域包含了所有非稳定下落的运动模、混沌和翻滚三种运动模式。有意思的是，该分线。此后，Jayaweera 和 Mason 研究了自由下落圆直径—长度比和雷诺数的影响，如图 1-2 所示[156]或更多自由下落圆柱的行为进行了研究。

d/L（其中 d 为本文中 D，即圆柱直径；其中 L 为本文中 L图：从稳定运动到摆动运动。曲线表示钢及有机玻璃圆柱两：方框：稳定运动（Steady motion）；圆：强阻尼振荡（Heavilyd续摆动（Persistent fluttering）（图片来自 Jayaweera 和 MaSimons 和 Guy 展示了在四种不同运动粘度的液体中[157]。Dupleich 对自由下落板的翻滚运动进行了实验滚频率并得出它们与板载荷和板长宽比的关系式[158小的条件下，运动模式仅取决于雷诺数和无量纲转于分析自由下落板的相图[159]。理论研究[160-162]强调了确定性混沌（Deterministic ch究是在这种思想提出之前进行的[82, 88-91, 155, 163]。基于给出了由包含两个参数即圆盘的无量纲转动惯量 I

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本文编号：2725088