渦環(huán)演化及其物理特征的研究.pdf

1、在過(guò)去幾十年里,渦環(huán)的研究一直是流體力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。Shariff(Annu.Rev.Fluid Mech.24:235-79,1992)總結(jié)了對(duì)渦環(huán)的形成和傳輸過(guò)程的研究, Dabiri(Annu.Rev.Fluid Mech.41:17-33,2009)進(jìn)一步探索了渦環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性,目的之一在于通過(guò)深入研究渦環(huán)揭示生物產(chǎn)生高升力和大推力的本質(zhì)原因。但是,對(duì)于渦環(huán)的半徑、能量、環(huán)量等物理特征及渦環(huán)的演化過(guò)程缺乏定量化的分析,其

2、中一個(gè)重要問(wèn)題在于無(wú)法定量化確定渦環(huán)的邊界及渦環(huán)的物理特征。
　　本文通過(guò)數(shù)值方法模擬渦環(huán)的形成和傳輸,進(jìn)而采用隨體坐標(biāo)系下流函數(shù)方法定量地確定渦環(huán)邊界及渦環(huán)的物理特征。通過(guò)與Gharib( J.Fluid Mech.360:121-140,1998)等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Slug模型的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,表明該方法能合理地確定渦環(huán)的邊界和渦環(huán)的物理特征參數(shù)。本文利用數(shù)值模擬方法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段對(duì)渦環(huán)的物理特征進(jìn)行研究,具體的研究?jī)?nèi)容以及相

3、應(yīng)的結(jié)論如下:
　　1.研究了采用活塞機(jī)制產(chǎn)生的渦環(huán),其形成時(shí)間T?(Formation time:活塞沖程/活塞直徑)對(duì)渦環(huán)物理特征的影響。研究表明當(dāng)?小于4時(shí),渦環(huán)的渦核半徑隨形成時(shí)間?的增長(zhǎng)而增大,但是當(dāng)?大于4之后,渦核半徑不再進(jìn)一步增大,說(shuō)明渦環(huán)的夾止(pinch-off)實(shí)際上是渦核的夾止(pinch-off)。
　　2.研究了在渦環(huán)演化過(guò)程中,渦核的生長(zhǎng)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)渦核的生長(zhǎng)存在三個(gè)階段:渦核快速生長(zhǎng)階段;當(dāng)

4、參數(shù)A=Γring xcoreΔU達(dá)到1左右時(shí),由于尾跡渦環(huán)的生長(zhǎng)而出現(xiàn)類似夾止的階段;渦環(huán)的渦核與其尾跡渦環(huán)渦核合并的階段。
　　3.研究了單個(gè)渦環(huán)和相繼生長(zhǎng)的兩個(gè)渦環(huán)演化過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)力,以及影響瞬時(shí)力變化的主要因素。采用渦量矩定理計(jì)算渦環(huán)演化過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)力,表明渦環(huán)的動(dòng)量變化是產(chǎn)生瞬時(shí)力的主要原因,此外,停止渦(stopping vortex)以及渦環(huán)的形成時(shí)間對(duì)瞬時(shí)力的變化具有較大的影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于兩個(gè)渦環(huán)之間的相