發(fā)布時(shí)間：2018-08-23 14:01

【摘要】：運(yùn)動(dòng)物體與兩相界面相互作用的問題是日常生活、自然界和工業(yè)應(yīng)用中十分常見的流動(dòng)現(xiàn)象。由于該問題的流動(dòng)復(fù)雜性,雖然已有前人大量的研究工作,然而仍有一些流動(dòng)機(jī)理尚未明確,如物體入水形成空腔的流動(dòng)機(jī)理以及物體出水的完整物理圖像等。本文結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了兩類典型的運(yùn)動(dòng)物體與界面相互作用的流動(dòng)問題:物體入水和物體出水,重點(diǎn)分析了其中出現(xiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象及內(nèi)在的流動(dòng)機(jī)理。主要工作及研究成果如下:(1)采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了運(yùn)動(dòng)物體入水問題,揭示物體表面潤濕性、流體慣性、物體幾何形態(tài)和接觸線釘扎位置對(duì)空腔形成的影響及其內(nèi)在的流動(dòng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)演化。以圓柱和圓球這兩種幾何形態(tài)的物體作為研究對(duì)象,我們發(fā)現(xiàn)接觸線的釘扎與固體側(cè)壁面附近發(fā)生的流動(dòng)分離有關(guān),釘扎位置一般位于圓球的赤道上方和圓柱下端邊緣附近。通過對(duì)釘軋接觸線附近的準(zhǔn)靜態(tài)流場進(jìn)行力平衡分析,定量地得到了接觸線釘扎位置與固壁表面浸潤性、流體慣性和物體幾何形態(tài)等因素的標(biāo)度率關(guān)系,該理論分析結(jié)果與數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;基于勢(shì)流理論的Rayleigh-Besant方程求解了空腔發(fā)展形態(tài),發(fā)現(xiàn)無粘流主導(dǎo)了空腔的徑向伸展;數(shù)值發(fā)現(xiàn)了空腔內(nèi)壁毛細(xì)波傳播的色散關(guān)系與空心圓柱射流上擾動(dòng)傳播的色散關(guān)系相一致,而且與入水物體的幾何形態(tài)無關(guān)。此外,我們還研究了物體幾何形態(tài)和液相粘性對(duì)空腔形成的影響,并發(fā)現(xiàn)流線型物體入水更易形成空腔;通過考慮粘性耗散能,修改了無粘勢(shì)流的伯努利方程,從而得到了液相粘性對(duì)接觸線釘軋位置的標(biāo)度率關(guān)系,該關(guān)系與數(shù)值結(jié)果一致且預(yù)測(cè)并解釋了液相粘性越小越易形成空腔的原因。(2)采用數(shù)值模擬和理論分析的方法,研究了初始浸沒物體出水問題。以圓柱作為研究對(duì)象,探討圓柱出水過程中的界面演化和接觸線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)行為及其內(nèi)在的流動(dòng)機(jī)理,給出了圓柱出水整個(gè)出水階段的物理圖像,并根據(jù)是否形成接觸線定義了出水問題中的兩種典型流動(dòng)模態(tài):液膜破碎和液膜包裹。參數(shù)研究表明液體粘性是決定物體是否能被包裹的重要因素,數(shù)值結(jié)果表明液膜包裹的臨界條件僅由Oh數(shù)決定,與圓柱運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。液膜包裹模態(tài)中包裹圓柱表面的液膜形態(tài)最終會(huì)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài),且圓柱側(cè)壁面液膜厚度僅依賴于Re數(shù),基于功能關(guān)系的簡單模型,提出相關(guān)標(biāo)度率關(guān)系。我們還發(fā)現(xiàn)圓柱尾端液柱的斷裂時(shí)間僅依賴于Ca數(shù)。液膜破碎模態(tài)中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)接觸線相對(duì)于圓柱的運(yùn)動(dòng)速度是由Oh數(shù)和表面潤濕性決定。接觸線的運(yùn)動(dòng)隨著Oh數(shù)的增大逐漸從慣性模式發(fā)展到粘性模式,而且在慣性模式下接觸線運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度與圓柱自身運(yùn)動(dòng)速度相關(guān),而在粘性模式下則與圓柱自身運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。物體幾何形態(tài)對(duì)出水問題的影響主要表現(xiàn)在對(duì)流動(dòng)模態(tài)和阻力做功,研究發(fā)現(xiàn)不同幾何形狀的物體入水會(huì)導(dǎo)致生成接觸線位置的不同。由于接觸線更容易在長橢球的北極點(diǎn)處生成,因此具有流線型特征的長橢球出水所承受的阻力較其他形態(tài)物體小得多,這為一般水生生物擁有流線型形態(tài)提供了合理解釋。
[Abstract]:The interaction between a moving object and a two-phase interface is a very common phenomenon in daily life, nature and industrial applications. Due to the complexity of the problem, although a lot of previous studies have been done, there are still some unspecified flow mechanisms, such as the flow mechanism of the cavity formed by the object entering water and the effluent of the object. In this paper, the interaction between two typical moving objects and the interface is studied by means of numerical simulation and experimental methods. The flow phenomena and the internal flow mechanism are analyzed in detail. The main work and research results are as follows: (1) Numerical simulation and experimental methods are used. In this paper, the problem of moving objects entering water is studied, and the effects of surface wettability, fluid inertia, geometric shape of objects and pinning position of contact lines on cavity formation are revealed. The pinning position is generally located above the equator of the sphere and near the edge of the lower end of the cylinder. Through the force balance analysis of the quasi-static flow field near the pinning-rolling contact line, the scaling rates of the pinning position of the contact line, the surface wettability of the solid wall, the fluid inertia and the geometric shape of the object are obtained quantitatively. Based on the potential flow theory, the Rayleigh-Besant equation is solved and it is found that the inviscid flow dominates the radial expansion of the cavity. The numerical results show that the dispersion relation of capillary wave propagation in the cavity wall is consistent with the dispersion relation of perturbation propagation on the hollow cylindrical jet. In addition, the influence of geometry and liquid viscosity on cavity formation is also studied, and it is found that streamlined objects are more likely to form cavities when entering water. By considering viscous dissipation energy, the Bernoulli equation of inviscid potential flow is modified, and the scale of liquid viscosity on the rolling position of contact wire pins is obtained. (2) Numerical simulation and theoretical analysis were used to study the problem of initial submerged body effluent. Cylinder was taken as the object of study to investigate the interfacial evolution and the dynamic behavior of contact line motion in the process of effluent. The physical images of the whole stage of the cylinder effluent are given, and two typical flow modes of the effluent problem are defined according to whether the contact line is formed: the breakage of the liquid film and the encapsulation of the liquid film. The critical condition of wrapping is determined only by the Oh number and is independent of the velocity of the cylinder. The liquid film morphology on the surface of the cylinder in the liquid film wrapping mode will eventually reach quasi-static state, and the thickness of the liquid film on the side wall of the cylinder only depends on the Re number. It is found that the velocity of the contact line relative to the cylinder is determined by Oh number and surface wettability in the liquid film breaking mode. In the viscous mode, it is independent of the velocity of the cylinder itself. The influence of the geometric shape of the object on the water outflow is mainly manifested in the work done on the flow mode and resistance. It is found that the position of the contact line is different when the object with different geometric shape enters the water. The resistance of streamlined ellipsoidal effluent is much less than that of other bodies, which provides a reasonable explanation for the streamlined morphology of aquatic organisms.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O35

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 朱云芳;應(yīng)瀟瀟;顧偉康;;基于時(shí)空結(jié)合的運(yùn)動(dòng)物體分割[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版);2007年06期

2 何克晶;張金成;周曉強(qiáng);;運(yùn)動(dòng)物體在顆粒物質(zhì)中的動(dòng)力學(xué)過程及最大穿透深度仿真研究[J];物理學(xué)報(bào);2013年13期

3 李復(fù)齡;機(jī)械運(yùn)動(dòng)物體的內(nèi)部矛盾是什么?[J];物理;1976年01期

4 車宇珍;;狹義相對(duì)論中運(yùn)動(dòng)物體的表觀外形[J];江西師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1982年01期

5 陳立華;相對(duì)論與熱力學(xué)——運(yùn)動(dòng)物體的溫度會(huì)改變嗎?[J];華中師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1983年03期

6 吳介之;;運(yùn)動(dòng)物體與渦量場相互作用的不可壓理論 渦量場對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的作用力[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);1987年01期

7 周劍;尚洋;朱憲偉;;一種單目運(yùn)動(dòng)像機(jī)對(duì)點(diǎn)狀運(yùn)動(dòng)物體的三維定位方法[J];光學(xué)技術(shù);2011年04期

8 陳阿末;;洛侖茲收縮和近光速運(yùn)動(dòng)物體的形狀[J];物理通報(bào);1963年06期

9 周志清,王自強(qiáng),童世偉,謝忠;運(yùn)動(dòng)物體的線陣掃描全息術(shù)[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);1983年02期

10 楊合明，，舒昌啟，周濟(jì);一種運(yùn)動(dòng)物體碰撞的連續(xù)性檢測(cè)方法[J];武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1994年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前9條

1 宓寧;段曉輝;;一種跟蹤和識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的新算法[A];第三屆全國數(shù)字成像技術(shù)及相關(guān)材料發(fā)展與應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2004年

2 李晉武;張娟;鄒麗暉;;含運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)場景模糊圖像恢復(fù)方法[A];中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)A卷[C];2011年

3 宋治杭;江潔;張廣軍;;運(yùn)動(dòng)背景下的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)方法[A];第九屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2010年

4 李旭健;房勝;梁永全;;視頻監(jiān)控中運(yùn)動(dòng)物體提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[A];第一屆建立和諧人機(jī)環(huán)境聯(lián)合學(xué)術(shù)會(huì)議（HHME2005）論文集[C];2005年

5 萬德成;;含運(yùn)動(dòng)物體黏性流場的數(shù)值模擬[A];第二十屆全國水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集[C];2007年

6 劉加利;張繼業(yè);張衛(wèi)華;;基于格子Boltzmann方法的運(yùn)動(dòng)物體繞流研究[A];第十四屆全國非線性振動(dòng)暨第十一屆全國非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集與會(huì)議議程[C];2013年

7 鄭康平;徐湘贛;王戰(zhàn)軍;杜志京;;模擬仿真系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)物體的碰撞檢測(cè)算法[A];探索創(chuàng)新交流－－中國航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集[C];2004年

8 沈模衛(wèi);周吉帆;梁君英;;運(yùn)動(dòng)物體的位置知覺并非空間平均的結(jié)果[A];第十一屆全國心理學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

9 孫仁;章家驊;;三個(gè)物體之間水動(dòng)力相互作用的理論研究[A];慶祝中國力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（下）[C];2007年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前4條

1 侯欽孟;運(yùn)動(dòng)物體的拍攝[N];中國老年報(bào);2001年

2 陳力升;照片中線條的表現(xiàn)力[N];中國攝影報(bào);2012年

3 杜明;別去用高音喇叭大聲播放快節(jié)奏流行音樂的商店購物[N];衛(wèi)生與生活報(bào);2008年

4 胡檬;動(dòng)態(tài)攝影如何用好快門[N];電腦報(bào);2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前7條

1 陸博謙;運(yùn)動(dòng)物體與兩相界面相互作用的動(dòng)力學(xué)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 蔡光程;視頻中對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的尋找、跟蹤及塊匹配算法[D];昆明理工大學(xué);2005年

3 劉敏;視頻序列中運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)算法研究[D];華中科技大學(xué);2013年

4 劉永久;基于結(jié)構(gòu)光投影的運(yùn)動(dòng)物體高速實(shí)時(shí)三維測(cè)量方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

5 饒?jiān)撇?夜間視頻增強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2012年

6 洪方文;自由面附近運(yùn)動(dòng)物體流場的數(shù)值與試驗(yàn)研究[D];中國船舶科學(xué)研究中心;2001年

7 張曉玲;遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)物體動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];天津大學(xué);2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王明亮;基于后視攝像頭的車門開啟安全預(yù)警系統(tǒng)研究[D];重慶理工大學(xué);2015年

2 朱曉建;海浪和艦艇尾跡產(chǎn)生的弱磁信號(hào)分析[D];電子科技大學(xué);2015年

3 陳霖;視頻摘要系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)物體提取技術(shù)研究[D];北京化工大學(xué);2015年

4 張利衛(wèi);運(yùn)動(dòng)剛性物體煙霧隨動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)時(shí)仿真算法研究[D];燕山大學(xué);2016年

5 謝永亮;動(dòng)態(tài)場景中運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤研究[D];淮北師范大學(xué);2016年

6 李悅馨;基于監(jiān)控視頻的生人驗(yàn)證及考勤方法研究[D];華南理工大學(xué);2016年

7 李娟;基于KCF的視頻中運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤系統(tǒng)[D];湖南師范大學(xué);2016年

8 劉永森;行人檢測(cè)與跟蹤方法研究[D];電子科技大學(xué);2016年

9 達(dá)慧玲;基于對(duì)象的視頻摘要關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D];南京郵電大學(xué);2016年

10 張文章;運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)與跟蹤在視頻圖像偵查中的應(yīng)用研究[D];江蘇科技大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2199287