二维流场中板状柔性体与流体相互作用的研究

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1、中国科学技术大学 博士学位论文 二维流场中板状柔性体与流体相互作用的研究 姓名：贾来兵 申请学位级别：博士 专业：流体力学 指导教师：尹协振 20090501 摘要 摘要 板状柔性体与流体相互作用的现象广泛存在于自然界和人们的日常生产生 活中。通过研究这一问题，可以揭示板状柔性体在流体诱导下发生摆动的机理、 柔性体与流体间的能量交换过程以及通过流体传递柔性体间相互作用的机制。深 入研究这一现象不仅可以帮助人们更好地认识自然界的奥秘，还可以使人们在掌 握流体与柔性体相互作用机理的基础上设计、制造或改进一些机械装置，使其能 充分利用自然界流场中蕴含的能量。 本文通过在肥皂膜水洞装置中放置柔性细丝研

2、究了二维流场中板状柔性体 与流体的相互作用。在本文中具体讨论了以下内容： l 、开展了板状柔性体在均匀来流中摆动的实验，研究了在肥皂膜水洞中开 展这类实验的基本实验方法，实验数据处理手段和分析问题的基本理论工具，为 本文研究更为复杂的问题打下了基础。 2 、建立了研究二维均匀来流中两个并行排列柔性板间耦合的理论模型，使 用线性稳定性分析方法首次分析了柔性板间不同耦合模式的作用机理，通过两个 具体的例子研究了各种耦合模式在无量纲速度与无量纲密度参数平面内以及在 有量纲长度与间距参数平面内的分布，并通过实验定性验证了理论分析的结果。 3 、开展了前后排列的柔性体在流场中相互作用的实验研究，发现下游

3、细丝 在上游丝线产生的涡街中穿行的现象。通过对梁的振动方程的分析及对实验数据 的处理，研究了细丝在相互作用过程中的受力及其能量的变化规律，结果显示了 下游丝线能从涡街中获得能量，其增加能量主要用于增加动能，而上游丝线在串 行干扰中受影响较小。 4 、将细丝置于圆柱尾迹中，研究了周期性流动诱导下柔性体的摆动问题。 实验发现了细丝在圆柱尾迹诱导下的三种响应模式：在远离圆柱的卡门涡街中， 柔性体以涡街的频率在漩涡中穿行并受到阻力；在圆柱的近尾迹区内，柔性体获 得推力；在介于二者之间时，柔性体间歇地前后运动，并从理论上分析了三种模 式的机理。 本文通过实验、理论建模和分析，系统地研究了在均匀流和周期性

4、流动中单 个板状柔性体的响应以及并行排列和前后串行排列布局下两个板状柔性体之间 的相互干扰问题。同时在本文中详细叙述了肥皂膜装置的设计、流场参数和细丝 物理性质的测量、流场照明方法、微小力的测量等实验技术。 关键字：二维流场柔性体流固耦合并行干扰串行干扰肥皂膜水洞 A b s t r a c t A b S t r a C t T h ei n t e r a c t i o n sb e t 、v e e nn u i da n dn e x i b l eb o d i e se x i s ti nn a t u r e ，e v e r y c l a yl i f e a I l d

5、V a r i o u si n d u s t r y 印p l i c a t i o n s B yi n V e s t i g a t i n gt h e s ep h e n o m e n a ，w ec a l lr e v e a l t h em e c h a l l i s mo ff l o wi n d u c e dV i b r a t i o no ff l e x i b l eb o d i e s ，u n d e r s t a n dt h ep r o c e s so f e n e r g ye X c h a l l g eb e 时e e

6、 nf l e X i b l eb o d i e sa I l dn u i d ，a n dl e 锄m e 、V a yn e x i b l eb o d i e s i n t e r a c t 谢t he a c ho m e ri nan o w i n gf l u i d 7 r h es t u d yo nm ei n t e r a c t i o nb e 帆e e nn e x i b l eb o d i e sa I l df l u i dn o to n l ym a k e su sb e t t e rl l l l d e r s 伽mt h en

7、 a t l 鹏，b u ta _ l S oh e l p su s i n V e n tn e wm a c h i n e so ri m p r o V ee x i s t i n gd e V i c e st oh a e s tm o r ee n e r g yf 而mn a t u r c I nm i sd i s s e r t a t i o n ，m ei n t e r a c t i o nb e t w e e nat 、o d i m e n s i o n a ln e x i b l ep l a t ea I l d af l u i dw a sr

8、 e s e a r c h e di nt h es o a pf i l mt u n n e l s T h em a i nt o p i c sd i s c u s s e da r ea L sf 0 1 1 0 、 喝： 1 T h ee x p e 曲l e n t so fa s i n g l en e x i b l ef i l 锄e n tn 印p i n gi nau n i f o mn o ww e r e c o n d u c t e d T h eb a S i ce x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，t h ed

9、a t ah a I l d l i n ga 1 1 dt h eb a s i ct h e o r e t i c a l m e t h o d sw i t hr e s p e c tt 0t h ea n a l y s i so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf l u i da n df l e x i b l eb o d y w e r ei n V e s t i g a t e d ，m a k i n gab a s ef o rt h es t u d i e so fm o r ec o m p l e x p

10、h e n o m e n a 2 At h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ei 1 1 c e r a c t i o nb e t 、v e e nt 、v oD a r a l l e ln e x i b l ef i l a n l e n t s i nau I l i f o 肌n o w 、瑚p r o p o s e d 1 1 1 em e c h a J l i s mo ft h ec o u p l i n gm o d e sb e t 、 ，e e nt 、) l ，o f i l 锄e n t sw a Se x p l o

11、r e di nt e n n so fl i n e a ri n s t a b i l i t ) ，a n a l y s i s T w os p e c i a lc a S e sw e r e 咖d i e da 1 1 dt h ed i s t r i b u t i o I l so ft h ec o u p l i n gm o d e si nt h er l o n d i m e n s i o n a la I l dd i m e n s i o n a lp 被吼e t e rs p a C e sw e r ep r e d i c t e dt h e

12、 o r e t i c a l l y T h eq u a l i t a t i v ea c c o r d a n c e w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a L sa c h i e v e d 3 T h ee x p e r i m e n t so ft h ei n t e r a c t i o nb e t 、v e e nt w ot 觚d e mf i l 锄e n t si nt h es o a p f i l mw e r ec o n d u c t e d 。I tw a Sf o u n

13、 dt h a tt h ef i l 撇e n td o w n S t r e a ms l a l o m si nt h ev o n e x s 讹e ts h e d d i n gf 而mt h eu p s 仃e 锄f i l 锄e n t T h ef b r c ea 1 1 de n e r g yw e r ec a l c u l a t e di n t e r r I l so fa nE u l e 卜B e n o u l l ib e 锄m o d e l T h er e s u l t ss h o 、v e dt h a tt h ed o 、v n

14、s t r c 锄f i 1 a I l l e n te x t r a c t se n e r g yf - r o mt h en o wt oi n c r e a s ei t sk i n e t i ce n e 唱y ，、v h i l et h eu p s t r e 锄 f i l 锄e n ti si n n u e n c e d1 i t t l ei nm i sp r o c e s s 4 T h en 印p i n go fan e x i b l ef i l 锄e n ti nt l l ew a k eo fa c y l i n d e rw a

15、si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l yi no r d e rt os t l J d yt h eb e h a V i o ro fan e x i b l eb o d yi np e r i o d i cn o w T h r e er e s p o n s em o d e st h a td e p e n do nt h ed i S t a n c eb e t w e e nt h ec y l i n d e ra n dm ef i l a - m e n tw e r co b s e r V e d

16、i nt h ee x p e r i m e n t s T h e ya r et h ep r o p u l s i o nm o d e ，s w i n gm o d e a n dr o c km o d e Ap r i m a 巧e x p l a n a t i o no nt h e s em o d e si sg i v e ni nt e n I l so fm ew a V i n g I I I A b s t r a c t p l a t et h e o D r I nt h i sd i s s e I r t a t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t 、v e e nan e x i b l eb o d y 锄dn u i di nau n i f o n n O rp e r i o d i cf l o w ，a n dt h ei n t e r a c t i o nb e 雠e e n 似of l e x