涡环物理特征的研究.pdfVIP

第32卷第2期 空气动力学学报 V01．32。No．2 ACTA 2014年04月 AERODYNAMICASINICA Apr．，2014 文章编号：0258—1825(2014)02—0159—07 涡环物理特征的研究 向 阳1’2，刘 洪1’2，吴镇远1’2 (1．上海交通大学航空航天学院，上海200240；2．上海交通大学吴镇远空气动力学中心，上海 200240) 摘要：通过数值模拟涡环的形成，进而采用基于涡环的随体坐标系下的流函数方法确定涡环的边界，分析不同形 成时间(活塞冲程／活塞直径)涡环的物理特征参数(涡环的体积、半径、能量等参数)的变化。通过与实验结果和 Slug模型的理论分析结果做对比，该方法能合理地确定涡环的边界和其它物理特征参数。进一步研究中发现当形 成时间小于4(此时涡环发生夹止)时，涡环的涡核半径随形成时间的增加而增加，夹带能力在下降，而当形成时间 大于4后，涡环的涡核半径不再进一步增加，并且夹带能力开始增大。 关键词：涡环；形成时间；流函数；物理特征 中图分类号：V211．3 文献标识码：A doi：10．7638／kqdlxxb_2012．0082 积的比例，发现当形成时间比较小时，随着形成时间 0 引 言 的增大，涡环夹带体积的比例在减小。但是当形成时 鱼的游动和昆虫等动物的飞行所产生的非定常 间进一步增大所带来涡环的夹带体积的变化还没有 流动中，涡的形成和脱落是一种非常重要的现象。根 得到深入的分析。 据Helmholtz原理，由于涡管封闭而形成的涡环是一 种最基本的涡结构。针对涡环的流体动力以及在生 物推进中的作用，流体力学学者和生物学学者进行了 的运动学参数(涡环半径、涡核半径、传输速度)与动 大量的研究。Shariff[11对涡环的形成、传输以及产生力学参数(环量、动量、能量)之间的关系。Sulli— 装置对涡环的影响做了全面的回顾和总结，同时 van[1幻根据实验的结果和理论分析，改进了无粘下的 Dabiri[21进一步揭示了涡环的生长模式在生物推进 薄核理论，提出了有粘下的薄核理论，对涡环物理特 中的作用以及指出在生物推进过程中存在涡环的最 征参数之间的关系进行了修正。Didden[1胡根据涡页 佳形成时间。除此之外，Dickinson[3。41和Fish[51都指卷起模型分析了活塞装置生成涡环的过程，指出涡环 出鱼和鸟运动过程中是不断产生涡环的过程并进一 的环量主要来自于活塞出口的剪切作用，并对涡环的 步分析涡环的形成和传输过程。所以基于涡环的研 能量、动量等物理特征的变化进行分析提出slug模 究能揭示非定常流体动力的机理和本质。 型。由于无法合理的确定涡环的物理特征参数，进而 Ruiz[61通过实验研究涡环形成过程中产生的力， 无法定量的分析涡环物理特征参数随涡环形成的变 分析非定常力的增强主要是因为涡环从周围流体中 不断夹带流体以及涡环本身的附加质量。所以涡环 涡核半径等参数随形成时间的变化规律，获得一些不 的形成尤其是其夹带流体的过程一直是研究的重点。 Maxworth矿7]通过活塞装置证实了涡环的形成过程不分析涡环物理特征发生变化的原因。 Gharib 断夹带流体，Dabiri[81通过外流动减缓涡环的传输速度 L151发现当涡环的形成时问达到一个数值 研究涡环的夹带过程，发现形成时间比较小的涡环的