渦環(huán)演化及其物理特征的研究.pdf

1、在過去幾十年里,渦環(huán)的研究一直是流體力學領(lǐng)域的一個重要課題。Shariff(Annu.Rev.Fluid Mech.24:235-79,1992)總結(jié)了對渦環(huán)的形成和傳輸過程的研究, Dabiri(Annu.Rev.Fluid Mech.41:17-33,2009)進一步探索了渦環(huán)的動力學特性,目的之一在于通過深入研究渦環(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)的演化過程缺乏定量化的分析,其

2、中一個重要問題在于無法定量化確定渦環(huán)的邊界及渦環(huán)的物理特征。
　　本文通過數(shù)值方法模擬渦環(huán)的形成和傳輸,進而采用隨體坐標系下流函數(shù)方法定量地確定渦環(huán)邊界及渦環(huán)的物理特征。通過與Gharib( J.Fluid Mech.360:121-140,1998)等人的實驗結(jié)果和Slug模型的分析結(jié)果進行對比,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)合實驗手段對渦環(huán)的物理特征進行研究,具體的研究內(nèi)容以及相

3、應(yīng)的結(jié)論如下:
　　1.研究了采用活塞機制產(chǎn)生的渦環(huán),其形成時間T?(Formation time:活塞沖程/活塞直徑)對渦環(huán)物理特征的影響。研究表明當?小于4時,渦環(huán)的渦核半徑隨形成時間?的增長而增大,但是當?大于4之后,渦核半徑不再進一步增大,說明渦環(huán)的夾止(pinch-off)實際上是渦核的夾止(pinch-off)。
　　2.研究了在渦環(huán)演化過程中,渦核的生長過程。研究發(fā)現(xiàn)渦核的生長存在三個階段:渦核快速生長階段;當

4、參數(shù)A=Γring xcoreΔU達到1左右時,由于尾跡渦環(huán)的生長而出現(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.研究了單個渦環(huán)和相繼生長的兩個渦環(huán)演化過程中產(chǎn)生的瞬時力,以及影響瞬時力變化的主要因素。采用渦量矩定理計算渦環(huán)演化過程中產(chǎn)生的瞬時力,表明渦環(huán)的動量變化是產(chǎn)生瞬時力的主要原因,此外,停止渦(stopping vortex)以及渦環(huán)的形成時間對瞬時力的變化具有較大的影響。同時發(fā)現(xiàn)由于兩個渦環(huán)之間的相