细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

发布时间：2024-03-04 22:02

　　固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究.文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2,其长短轴比范围为2～10,相应的阿基米德数范围为400～1400,对应实现的终态雷诺数范围为120～1350.实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径,分别为:小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动,并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律.进一步地,分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系.随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性,并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响.最后,通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果,获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.

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【部分图文】：

图1实验系统图

为了开展细长椭球体在水中自由下落的运动特性研究,我们搭建了包含两台高速摄像机的颗粒追踪系统,实验系统如图1所示,由主体框架、水箱、高速摄像机、光源、释放装置等几大部分组成.主体框架由铝合金制成,作为整个实验系统的载体;水箱为高1200mm,横截面为300mm×300mm的有....

图2实验颗粒形状以及相应的坐标系

实验中所使用的细长椭球体是用树脂材料3D打印的,树脂密度ρc=1.2±0.05g/cm3.3D打印可以很好的控制椭球体的尺寸,其真实物理形状如图2(b)所示,其中L表示细长椭球体的长轴,d表示短轴,在实验前会将打印的椭球体进行打磨以确保物体表面光滑,然后测得的长短轴长度的打印误....

图3典型细长椭球体的运动特征

由于实验中所用的实验室坐标系对应得到的物体运动是三维的,为了将颗粒的运动简化成本文所关心的两个方向的运动,这里我们通过两个方向角度θ和φ将实验室坐标系变换为随体坐标系(Lamb[33]和Toupoint等[28]),(o′为随体坐标系原点,o′y′平行于椭球体的长轴),如图2(a....

图4两个不同坐标系下各速度分量的对比(a)实验室坐标系下(b)随体坐标系(图2(a)中所定义的),Ar=1389.70,L/d=10

对于非平面运动就可以采用以上的坐标系变换来描述物体运动,如图4所示,从图4(a)和4(b)对比可以看出,通过将实验坐标系变换到随体坐标系,Z字形振荡就更加明显.2实验结果与分析

本文编号：3919239