固體顆粒在液體中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象在日常生活和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛存在,其中因蘊(yùn)含著豐富的流體力學(xué)現(xiàn)象而受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)長(zhǎng)橢球體在水中受浮力影響的下落特性.實(shí)驗(yàn)中采用帶有兩臺(tái)相互垂直的高速攝像機(jī)和光源組成的運(yùn)動(dòng)跟蹤平臺(tái)并結(jié)合熒光染色技術(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)橢球體下落過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡和尾渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究.文中選用的細(xì)長(zhǎng)橢球體與環(huán)境流體的密度比為1.2,其長(zhǎng)短軸比范圍為2～10,相應(yīng)的阿基米德數(shù)范圍為400～1400,對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的終態(tài)雷諾數(shù)范圍為120～1350.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們觀察到細(xì)長(zhǎng)橢球體在水中下落過(guò)程中產(chǎn)生的5種典型路徑,分別為:小振幅不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、小振幅高頻振蕩運(yùn)動(dòng)、大振幅低頻振蕩運(yùn)動(dòng)、高度非線性運(yùn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng),并得到了對(duì)應(yīng)的速度振蕩以及傾斜角的演化規(guī)律.進(jìn)一步地,分析了細(xì)長(zhǎng)橢球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系.隨后采用熒光可視化技術(shù)清晰獲得了顆粒下落過(guò)程中的尾渦結(jié)構(gòu)特性,并結(jié)合顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)詳細(xì)分析了渦脫落過(guò)程對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)捩的影響.最后,通過(guò)對(duì)比前人關(guān)于圓柱體下落的運(yùn)動(dòng)特性的相關(guān)結(jié)果,獲得了細(xì)長(zhǎng)橢球體和細(xì)長(zhǎng)圓柱體運(yùn)動(dòng)特性之間的異同點(diǎn)以及其潛在的物理機(jī)理.

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【部分圖文】：

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

為了開(kāi)展細(xì)長(zhǎng)橢球體在水中自由下落的運(yùn)動(dòng)特性研究,我們搭建了包含兩臺(tái)高速攝像機(jī)的顆粒追蹤系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,由主體框架、水箱、高速攝像機(jī)、光源、釋放裝置等幾大部分組成.主體框架由鋁合金制成,作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的載體;水箱為高1200mm,橫截面為300mm×300mm的有....

圖2實(shí)驗(yàn)顆粒形狀以及相應(yīng)的坐標(biāo)系

實(shí)驗(yàn)中所使用的細(xì)長(zhǎng)橢球體是用樹(shù)脂材料3D打印的,樹(shù)脂密度ρc=1.2±0.05g/cm3.3D打印可以很好的控制橢球體的尺寸,其真實(shí)物理形狀如圖2(b)所示,其中L表示細(xì)長(zhǎng)橢球體的長(zhǎng)軸,d表示短軸,在實(shí)驗(yàn)前會(huì)將打印的橢球體進(jìn)行打磨以確保物體表面光滑,然后測(cè)得的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度的打印誤....

圖3典型細(xì)長(zhǎng)橢球體的運(yùn)動(dòng)特征

由于實(shí)驗(yàn)中所用的實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)得到的物體運(yùn)動(dòng)是三維的,為了將顆粒的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成本文所關(guān)心的兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),這里我們通過(guò)兩個(gè)方向角度θ和φ將實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系變換為隨體坐標(biāo)系(Lamb[33]和Toupoint等[28]),(o′為隨體坐標(biāo)系原點(diǎn),o′y′平行于橢球體的長(zhǎng)軸),如圖2(a....

圖4兩個(gè)不同坐標(biāo)系下各速度分量的對(duì)比(a)實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下(b)隨體坐標(biāo)系(圖2(a)中所定義的),Ar=1389.70,L/d=10

對(duì)于非平面運(yùn)動(dòng)就可以采用以上的坐標(biāo)系變換來(lái)描述物體運(yùn)動(dòng),如圖4所示,從圖4(a)和4(b)對(duì)比可以看出,通過(guò)將實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系變換到隨體坐標(biāo)系,Z字形振蕩就更加明顯.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文編號(hào)：3919239