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细长圆柱体入水的特性研究

梅哲力  
【摘要】:物体入水过程是一个经典的流体力学问题。该现象在生活中较为常见,如运动员跳水、扔石头等等,但是在物体入水过程中所产生的空泡的问题不仅涉及到撞击的过程,而且涉及到物体的材料、水体的状态以及物体在水中的运动过程中的状态变化。目前的研究成果还无法完全解释物体的入水规律,需要新的研究方法及理论。 本文首先根据国内外的研究成果,汲取了入水装置的设计理念和入水试验的方法,设计和组装了一套可行的入水试验装置,进行了一系列的试验,采用高速摄像机记录试验现象。试验描述了在不同的入水工况下,细长圆柱体在水中的运动现象。试验采用图像处理软件,对试验照片进行处理得到细长圆柱体的位移数据,经过计算,得出速度、加速度、阻力系数,通过比较试验数据与入水现象,探索入水现象的内在原理。 入水试验包括垂直入水试验和倾斜入水试验,垂直入水试验是细长圆柱体以不同的初速度入水的试验过程,得到垂直入水空泡的变化过程,通过对试验数据的处理得到物体在水中速度和减速度的变化,减速度在空泡形成之后的下降反应了空泡有减小水阻力的作用,另外,细长圆柱体在垂直入水时,其运动轨迹会发生偏移,结合空泡溃散情况的分析,探讨了轨迹偏移的原因。倾斜入水试验是细长圆柱体以不同的倾斜角入水的试验过程,得到了倾斜入水空泡的变化过程,通过对试验数据的分析,计算得出不同入水角度下,竖直方向的入水阻力系数的变化过程,反应了随着入水角度的增大,入水阻力系数也会变大,并且,水阻力的峰值也出现地越早。结合试验现象,影响竖直方向的阻力系数的主要因素为速度的竖直分量的大小。完成以上内容之后,总结细长圆柱体的入水规律,为下一步研究其内在机理做准备。


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