發(fā)布時間：2020-06-22 03:03

【摘要】：在重力或浮力驅(qū)動下流場中物體自由運動的動力學及穩(wěn)定性問題,是流體力學需要解決的經(jīng)典問題之一。該問題與機械工程、空氣動力學、氣象學以及生物力學等許多應用領域有關。本文采用實驗及數(shù)值模擬方法,主要針對三方面內(nèi)容進行了系統(tǒng)的研究與分析,其中包括:偏心圓盤水中的自由下落運動模式,風車狀盤水中自由下落運動模式以及圓盤邊緣上方、下方或者上下兩面增加矩形凸起后下落運動模式和周圍流場的變化情況。最后以熱鍍鋅鍋中V型區(qū)域鋅渣來源分析為例,展現(xiàn)了物體在液體中升降動力學及穩(wěn)定性研究的具體應用。本文主要研究工作和結論如下:(1)提出了一種不改變圓盤外形的偏心圓盤的加工方法,并采用高速相機拍攝水箱中若干不同參數(shù)偏心圓盤的自由下落運動,分析重心偏移對圓盤下落模式的影響,發(fā)現(xiàn)了六種全新的運動模式,其中包括:擺動主導運動、混沌主導運動、翻滾主導運動、過渡運動、滑動主導運動以及純滑動運動。對上述新發(fā)現(xiàn)的運動模式按其運動形態(tài)以及運動軌跡特征進行歸類后,本文提出四種偏心圓盤下落模式分類:FCT主導運動(包括擺動主導運動、混沌主導運動、翻滾主導運動)、過渡運動、滑動主導運動和純滑動運動,并對各模式的性質(zhì)及特點進行了詳細介紹和分析�；谒念惒煌\動模式隨圓盤偏心率e和無量綱轉(zhuǎn)動慣量I*的變化情況,繪制了二維相圖并進行了深入分析,發(fā)現(xiàn)偏心率e在描述偏心圓盤下落運動模式時是一個非常重要的參數(shù)。(2)證明了對于特定形狀的一類風車狀盤,沿著穿過盤中心的任何軸(在X-Y平面)的無量綱轉(zhuǎn)動慣量I*值是相同的,因此我們只需要計算通過其中心X-Y平面上任一個方向的I*值即可。采用高速相機拍攝并分析不同形狀厚度的風車狀盤自由下落運動后發(fā)現(xiàn),隨著風車葉片數(shù)量的減少,盤在水中的穩(wěn)定性增加。經(jīng)過相關性分析,本文得出,在一定參數(shù)范圍內(nèi),雷諾數(shù)Re以及無量綱轉(zhuǎn)動慣量I*與風車狀盤下落穩(wěn)定性之間相關性較小,等周系數(shù)Q與盤下落穩(wěn)定性之間相關性較大,盤最小半徑與最大半徑比R_2/R_1與盤下落穩(wěn)定性之間的相關性最大。風車狀盤穩(wěn)定性的提高是由于附近流體圍繞盤流動所致,這也導致了風車狀盤最小半徑與最大半徑比與盤運動模式穩(wěn)定性之間最具相關性。(3)結合對照組圓盤情況,通過數(shù)值模擬方法研究了圓盤邊緣上方、下方或者上下兩面增加矩形凸起后,三組不同類型圓盤在水中下落方向、特點、運動模式以及周圍流場的變化情況。從上述三組圓盤下落過程中若干典型時刻圓盤附近一定范圍的流線圖及壓強等值線圖可以分析得出,圓盤兩側(cè)的渦變化情況可能與圓盤的傾角之間存在一定的關聯(lián)。結合上述分析對本章中的四種不同類型圓盤下落過程進行穩(wěn)定性排序后發(fā)現(xiàn),在圓盤邊緣上方、下方或者上下兩面增加矩形凸起后,圓盤的穩(wěn)定性都會有大幅增加。其中在邊緣上方及下方均增加矩形凸起對圓盤穩(wěn)定性增加效果最好;在邊緣下方增加矩形凸起效果次之;在邊緣上方增加矩形凸起效果再次之。(4)以熱鍍鋅鍋中V型區(qū)域鋅渣來源分析為例,展現(xiàn)了物體在液體中升降動力學及穩(wěn)定性研究的具體應用。采用數(shù)值模擬方法,從熱鍍鋅鍋內(nèi)鋅液流場開始分析。除了流場的基本分析之外,還重點分析了加熱器對流場的影響以及鋅液回流和氣刀吹鋅對流場的影響。在此基礎上,本文采用了數(shù)值模擬方法分析了進入V型區(qū)域的鋅液來源,以了解帶鋼上附著鋅渣可能的源頭,為提高熱鍍鋅鋼板質(zhì)量作參考。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O35
【圖文】：

6盤受無量綱轉(zhuǎn)動慣量 I*和雷諾數(shù) Re 影響的相圖：穩(wěn)定和）運動模式的分界曲線（圖片來自論文 Willmarth，Haw我們可以看出，流體中自由下落圓盤穩(wěn)定和不穩(wěn)定其中不穩(wěn)定區(qū)域包含了所有非穩(wěn)定下落的運動模、混沌和翻滾三種運動模式。有意思的是，該分線。此后，Jayaweera 和 Mason 研究了自由下落圓直徑—長度比和雷諾數(shù)的影響，如圖 1-2 所示[156]或更多自由下落圓柱的行為進行了研究。

d/L（其中 d 為本文中 D，即圓柱直徑；其中 L 為本文中 L圖：從穩(wěn)定運動到擺動運動。曲線表示鋼及有機玻璃圓柱兩：方框：穩(wěn)定運動（Steady motion）；圓：強阻尼振蕩（Heavilyd續(xù)擺動（Persistent fluttering）（圖片來自 Jayaweera 和 MaSimons 和 Guy 展示了在四種不同運動粘度的液體中[157]。Dupleich 對自由下落板的翻滾運動進行了實驗滾頻率并得出它們與板載荷和板長寬比的關系式[158小的條件下，運動模式僅取決于雷諾數(shù)和無量綱轉(zhuǎn)于分析自由下落板的相圖[159]。理論研究[160-162]強調(diào)了確定性混沌（Deterministic ch究是在這種思想提出之前進行的[82, 88-91, 155, 163]�；诮o出了由包含兩個參數(shù)即圓盤的無量綱轉(zhuǎn)動慣量 I

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本文編號：2725088