电场作用下无黏聚焦射流的时间不稳定性研究

基于电场作用下的流动聚焦实验建立了简化的理论模型,开展了带电同轴液气射流的时间不稳定性分析.在无黏假设下,得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式的色散关系,分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,只有轴对称扰动和第一类非轴对称扰动在时间域内是增长的;液气界面的表面张力对轴对称扰动有着双重影响而对非轴对称扰动起抑制作用;外层气体的流速以及密度的增加均能促进射流的失稳.这些结论与实验结果是定性一致的.结果也表明,在不考虑初始界面电荷密度时,单一的轴向电场能抑制射流的失稳.      

描述鱼鳍材料松弛特性的分数Zener模型

鱼鳍在游动中起到了推进和控制的作用, 研究鱼鳍的力学性质对研究鱼类游动中高效率的来源具有重要意义. 本文对鲫鱼尾鳍鳍条进行了松弛实验, 松弛时间为300\,s,力随时间表现出较明显的衰减, 表明鱼鳍具有黏弹性性质. 采用分数Zener模型拟合实验数据, 并将拟合结果与3参数和5参数线性模型拟合结果比较, 发现3参数线性模型拟合效果较差, 分数Zener模型和5参数线性模型都较好地拟合了松弛曲线, 但分数Zener模型具有使用参数更少的优点.      

均匀来流条件下并行排列旗帜耦合运动模式的实验

利用高速摄影技术在低速风洞中记录了不同间距并行排列的两个旗帜在不同来流速度中的耦合运动。利用自编的时间-空间演化图像处理软件分析总结了旗帜的耦合运动模式以及旗帜摆动振幅、频率和St数的变化规律。实验结果显示,随着排列间距和来流速度的变化,两旗帜可能以静止、同向摆动、反向摆动和过渡状态这四种不同的模态耦合运动。两旗帜同向摆动时摆动频率明显低于单个旗帜在相同来流中的值,反向摆动时情况相反。在过渡状态中两旗帜摆动的振幅交替增减并且运动中同时包含有两个频率,而同向和反向摆动都是单频率的运动。     

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。     

Two-Dimensional Wave Motion on the Charged Surface of a Viscous Liquid

The wave motion on the charged surface of a viscous Newtonian liquid is solved as an initial-value problem. Both the leaky dielectric and perfect dielectric cases are considered. The amplitude of wave is assumed to be small. The electric field induced by surface charge is shown to have a generally destabilizing effect on surface wave. The neutral stability curve is drawn in the （G, N~） plane （G： the gravitational bond number; N~： the electrical Bond number）. The Ohnesorge number, Taylor-Melcher number and permittivity ratio have little influence on the neutral stability curve. It is testified that the classical normal mode method cannot predict wave behaviour at small times.     

可压缩流向涡与激波轴对称干扰的数值模拟

用ＮＳ方程数值模拟了可压缩流向涡和激波轴对称相互作用现象。数值模拟包括定常和非定常两种情况,计算结果分别与相应的实验进行了比较,结果表明数值模拟成功地捕捉到了激波和旋涡相互作用过程中发生的激波波面变形,激波振荡,涡核变大以及激波波后出现驻点、回流区等流场特征。提出了判断流向涡与运动激波相互作用中旋涡破碎的准则。     

鱼形机器人快速转向的运动特性研究

基于C形转向的仿生学研究和简化物理模型,建立了鱼形机器人快速转向的运动学方程,分析体干中线运动步态和鱼体质心的运动规律.计算了转动惯量、驱动力矩和阻力矩,建立C形转向的动力学模型.通过前摆转向的多步态仿真游动实验,解析鱼体柔性段弧长和相对弯曲度对质心轨迹、转动惯量、力矩、转动角位移和最大转动角速度的影响,提出了有效提高鱼形机器人快速转向性能的方法.     

炸药爆炸变形和首次破碎的研究

 利用纹影技术研究了炸药爆轰后驱动物质的变形过程。为了便于观察,待测物质选取为变形比较大的介质水。实验观察表明,在炸药爆轰作用下,筒状水的膨胀首先由雷管起爆端开始,形成了倾斜状、波浪形的界面。结果表明：阵面的波动破裂均从外界面开始,界面的不稳定性可能是导致其失稳并破碎的主要原因。实验还观察到炸药爆轰后不同延迟时间的物体从大块变成小块的发展过程。研究中克服了炸药爆轰产物发光对图像的影响,以及爆炸振动对光路的影响。研制了一种简易的触发探针,解决了外光源和炸药爆轰的同步问题。     

流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

炸药爆炸作用下液体破碎后颗粒尺寸分布的研究

 对液体抛撒的液滴尺寸进行研究在军事和民用上是很重要的,国内刚开始使用激光散射仪开展此项研究工作。利用R. A. Dobbins等人的液体颗粒测量技术,研制了一套既简单又实用的测量液体抛撒过程中液滴尺寸的实验装置——激光散射仪。对于激光与液体微粒的相互作用,当微粒的反射与折射和吸收效应可被忽略时,可导出液体微粒对激光散射的光强公式。只要测量激光被微粒散射的光强,就可推算出微粒的Sauter平均直径。在使用激光散射仪测量液体抛撒液滴尺寸的实验中,用水代替爆炸抛撒液体,测量结果表明：液体抛撒二次破碎中,在固定位置测量到的云雾区液滴Sauter平均直径随测量时间的增加呈现出减小的趋势;而云雾区的宽度则随着与抛撒中心距离的增大而呈现出增加的趋势;云雾区前沿的液滴Sauter平均直径随着与抛撒中心距离的增加而呈现出先逐渐增大然后迅速减小的趋势。为便于比较,对燃料抛撒二次破碎进行了回收法测量和数值模拟计算,其测量与计算结果与用激光散射仪测量的结果有较好的一致性。