運(yùn)動物體與兩相界面相互作用的動力學(xué)研究.pdf

1、運(yùn)動物體與兩相界面相互作用的問題是日常生活、自然界和工業(yè)應(yīng)用中十分常見的流動現(xiàn)象。由于該問題的流動復(fù)雜性，雖然已有前人大量的研究工作，然而仍有一些流動機(jī)理尚未明確，如物體入水形成空腔的流動機(jī)理以及物體出水的完整物理圖像等。本文結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了兩類典型的運(yùn)動物體與界面相互作用的流動問題:物體入水和物體出水，重點(diǎn)分析了其中出現(xiàn)的流動現(xiàn)象及內(nèi)在的流動機(jī)理。主要工作及研究成果如下:
　　(1)采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了運(yùn)動物

2、體入水問題，揭示物體表面潤濕性、流體慣性、物體幾何形態(tài)和接觸線釘扎位置對空腔形成的影響及其內(nèi)在的流動機(jī)理和動力學(xué)演化。以圓柱和圓球這兩種幾何形態(tài)的物體作為研究對象，我們發(fā)現(xiàn)接觸線的釘扎與固體側(cè)壁面附近發(fā)生的流動分離有關(guān)，釘扎位置一般位于圓球的赤道上方和圓柱下端邊緣附近。通過對釘軋接觸線附近的準(zhǔn)靜態(tài)流場進(jìn)行力平衡分析，定量地得到了接觸線釘扎位置與固壁表面浸潤性、流體慣性和物體幾何形態(tài)等因素的標(biāo)度率關(guān)系，該理論分析結(jié)果與數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;

3、基于勢流理論的Rayleigh-Besant方程求解了空腔發(fā)展形態(tài)，發(fā)現(xiàn)無粘流主導(dǎo)了空腔的徑向伸展;數(shù)值發(fā)現(xiàn)了空腔內(nèi)壁毛細(xì)波傳播的色散關(guān)系與空心圓柱射流上擾動傳播的色散關(guān)系相一致，而且與入水物體的幾何形態(tài)無關(guān)。此外，我們還研究了物體幾何形態(tài)和液相粘性對空腔形成的影響，并發(fā)現(xiàn)流線型物體入水更易形成空腔;通過考慮粘性耗散能，修改了無粘勢流的伯努利方程，從而得到了液相粘性對接觸線釘軋位置的標(biāo)度率關(guān)系，該關(guān)系與數(shù)值結(jié)果一致且預(yù)測并解釋了液相粘性

4、越小越易形成空腔的原因。
　　(2)采用數(shù)值模擬和理論分析的方法，研究了初始浸沒物體出水問題。以圓柱作為研究對象，探討圓柱出水過程中的界面演化和接觸線運(yùn)動的動力學(xué)行為及其內(nèi)在的流動機(jī)理，給出了圓柱出水整個出水階段的物理圖像，并根據(jù)是否形成接觸線定義了出水問題中的兩種典型流動模態(tài):液膜破碎和液膜包裹。參數(shù)研究表明液體粘性是決定物體是否能被包裹的重要因素，數(shù)值結(jié)果表明液膜包裹的臨界條件僅由Oh數(shù)決定，與圓柱運(yùn)動速度無關(guān)。液膜包裹模態(tài)中

5、包裹圓柱表面的液膜形態(tài)最終會達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)，且圓柱側(cè)壁面液膜厚度僅依賴于Re數(shù)，基于功能關(guān)系的簡單模型，提出相關(guān)標(biāo)度率關(guān)系。我們還發(fā)現(xiàn)圓柱尾端液柱的斷裂時間僅依賴于Ca數(shù)。液膜破碎模態(tài)中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動接觸線相對于圓柱的運(yùn)動速度是由Oh數(shù)和表面潤濕性決定。接觸線的運(yùn)動隨著Oh數(shù)的增大逐漸從慣性模式發(fā)展到粘性模式，而且在慣性模式下接觸線運(yùn)動的相對速度與圓柱自身運(yùn)動速度相關(guān)，而在粘性模式下則與圓柱自身運(yùn)動速度無關(guān)。物體幾何形態(tài)對出水問題的影響主要表現(xiàn)在