免费论文：带柔性尾的横向振动圆柱绕流结构实验研究

本文创新性地将柔性薄膜附着在横向振动圆柱后缘，柔性尾在随圆柱振动过程中产生变形，以此模拟了昆虫翼面和鱼类尾部在扑翼运动过程中的柔性作用。在水槽中利用氢气泡流动显示技术和PIV速度测量方法研究了圆柱振动频率和柔性尾长度对实验模型绕流结构的影响。本文的重点在于分析近尾迹区的流动结构并对其进行分类，研究主要尾迹模式的形成、演化和转变的过程及机理。论文的主要创新点如下： 在柔性尾长度为L/D=2~5、振动频率为StD=0~1.02的范围内绘制了尾迹模式分布图，发现实验模型近尾迹区存在四种不同的尾迹模式：在一个振动周期内，1）产生一对涡的卡门涡街——2S_卡门涡街模式；2）产生一对涡的反卡门涡街——2S_反卡门涡街模式；3）产生两对涡——2P模式；4）产生三个涡——P+S模式。 利用PIV速度测量技术对四种尾迹模式典型工况的流场进行了定量测量，详细讨论了各尾迹模式流动结构在一个振动周期内的演化过程和形成机理。随后，通过逐渐增大柔性尾长度为L/D=3实验模型的振动频率，分析了各尾迹模式之间的转变过程。结果表明，尾迹模式的形成仅与柔性尾后缘处从上游对流而来的前缘涡和新生成的后缘涡之间的强度差异有关。 通过分析圆柱振动频率对该实验模型流场中的时均速度、柔性尾变形、涡结构位置和强度的影响，发现柔性尾后缘截面内流向时均速度型转变为射流型时，尾迹流场中出现完全2S_反卡门涡街模式。同时，柔性尾变形过程中相位滞后现象有利于该尾迹模式的形成。圆柱振动频率的改变致使尾迹模型变化的原因在于：振动频率的增加，导致柔性尾位移和垂向振动速度不断增大，加速了前缘涡在柔性尾两侧向下游对流过程中涡强度的消耗。同时，对于没有约束的柔性尾后缘，其位移和振动速度均为柔性尾上最大，柔性尾后缘与附近流体强烈的剪切，有利于较强后缘涡的形成。 增加柔性尾长度和增大圆柱振动频率对流场中绕流结构影响的机理一致，均会导致前缘涡强度衰减和后缘涡强度增强。而且，柔性尾长度的增加使得前缘涡对流至后缘需要通过更长的距离，有利于进一步削弱前缘涡的强度。此外，本文给出了利用柔性尾后缘附近涡结构的强度增长率判别2S_反卡门涡街模式的方法，并在本实验范围内证实了该方法的有效性。

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