均匀流中旗帜摆动的流体动力学特性实验研究

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在自然界中柔性体和流体相互作用的现象非常普遍,这类现象中往往包含着非常复杂的流固耦合问题。鱼类游动就是这类现象的典型代表。通过对柔性体和流体相互作用的流固耦合问题的深入研究,揭示鱼类等水生动物的推进机理,进而设计出类似的优秀高效的仿生工具和推进器械,一直是广大科技工作者不断追求的目标。   为了深入研究柔性旗失稳摆动时的流体动力学特性以及鱼类群游时的减阻机理,研制了一套柔性物测力实验装置,利用该实验装置对不同长宽比的单柔性旗帜失稳摆动状态下的力学特性进行测量,同时利用高速摄影系统测量旗帜的振幅、频率等运动学参数;在单旗测力的基础上,对给定长宽比的双柔性旗在并行排列、串行排列、交错排列等不同排列方式下的受力特性进行测量。   本文主要讨论了以下内容:   1)研制了一套柔性物测力实验系统,并对数据采集、数据处理等分系统的情况进行了详细介绍;典型实验结果表明:本系统实验结果规律合理,可以满足柔性板流固耦合实验研究的需要;   2)对不同长宽比单个柔性旗的失稳摆动特性进行了研究,实验结果表明:影响柔性旗失稳特性的无量纲参数主要是宽长比H*,质量比M*和无量纲速度U*,当宽长比接近于1时,其扭曲变形的影响可以忽略:保持M*不变改变H*时阻力系数Cd、无量纲振幅A*和St数都随无量纲速度U*线性增大,保持H*不变改变M*时Cd,A*和St都随U*先增大后趋于定值;在实验参数范围内发现旗帜受到的阻力与摆动振幅成正比,忽略旗帜惯性力对阻力的贡献,对实验结果影响不大;   3)对给定长宽比的并排双柔性旗相互影响下的失稳摆动特性进行了研究,实验结果表明:随着横向间距增加,并排双旗阻力总体上呈增加趋势,当间距大于旗帜长度时,双旗基本解耦,阻力趋于单旗阻力;实验范围内,并排双旗阻力基本上都是小于单旗阻力;较小间距下,随着来流速度增加,并排双旗由反相向同相过渡,当间距大于旗帜长度时,全部为过渡状态,双旗解耦;   4)对给定长宽比的串行及交错排列的双柔性旗的失稳特性进行了研究,结果表明:双旗前后串行排列时,来流速度变化对前旗的影响较大,Gx≥4.5时,前后间距变化对双旗相对阻力的影响减弱,除了Gx<1.5的小间距下,前旗阻力大于后旗阻力,其他大多数间距下,都是后旗阻力大于前旗阻力;前后旗交错排列时,处于前旗侧后方‖Gy‖≤1.0、1.5≤‖Gx‖≤4.0区域的后旗有明显的减阻效果,前旗在‖Gy‖≤0.5、‖Gx‖≤1.0的区域也有明显减阻现象。
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