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旋转流体多边形自由表面形成机理的实验和数值研究

批准号:
12102457
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨文
依托单位:
学科分类:
湍流与流动稳定性
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨文

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
开放圆柱形容器中的不可压缩牛顿流体,在旋转底盘驱动下产生自由表面变形。在特定底盘转速和液面初始高度条件下,大变形自由表面呈现旋转多边形模态。本项目旨在通过实验和数值相结合的方法,从根源上解释该旋转流体自由表面旋转多边形的生成和演化机理。实验上,采用傅立叶变换轮廓术,实时精准测量自由表面非定常演化,并通过粒子图像测速技术,对旋转流场结构实时观测;数值上,采用气液两相流直接数值仿真代码,对自由表面流进行三维非定常计算。该项对奇特旋转多边形不稳定性机理的研究,不仅能促进相关高效数值方法和精确测量技术的开发和利用,而且对探索涡动学、自由表面及流动稳定性等学术问题具有重要意义,相关研究方法和理论成果亦具有较高的工程应用价值。
英文摘要
A disk rotating at the bottom of an open cylindrical container partially filled with an incompressible Newtonian fluid generates a rotating flow with deformed free surface. At certain disk speeds and initial fluid heights, the largely deformed free surface takes the form of rotating polygons. This project aims to find the formation and evolution mechanisms of this free surface instability, with experimental and numerical approaches. Experimentally, the unsteady evolution of the free surface is accurately measured in real time using Fourier transform profilometry, and the flow velocity field through particle image velocimetry; Numerically, a two-phase flow solver is used to perform three-dimensional unsteady calculations of the free surface flow. This research on the mechanism of the peculiar rotating polygonal instability, not only promotes the development and use of numerical methods and accurate measurement techniques, but also has important significance for exploring academic problems such as the vorticity dynamics, free surface and flow stability. The methods and expected results can also be applied in engineering practice.
本项目通过实验与数值模拟相结合的方法,系统揭示了旋转多边形自由表面流动的模态演化机制及其稳定性特征。自主搭建了高精度实验平台,集成旋转多边形生成装置、基于傅里叶变换轮廓术(FTP)的三维表面形变动态测量系统,并利用粒子图像测速(PIV)技术捕捉流场结构;同时构建大涡模拟(LES)数值模型,实现了从暂态启动到稳态发展的全过程仿真。研究发现,纵横比(G)是决定模态数及其存在区间的核心参数:低纵横比下仅能激发低阶模态(如模态2-3),而高纵横比下可观测到所有2-6阶模态;同一模态的临界弗雷德数(FrH)随G增大呈线性增长。通过傅里叶模态分解与时空演化分析,首次明确了轴对称自由表面干涸临界弗雷德数为体不稳定性与旋转多边形不稳定性的分界点,揭示了自由表面变形对两类不稳定性的差异化影响:体不稳定性区(低FrH)模态频率比遵循线性标度律,而旋转多边形区(高FrH)则服从指数衰减规律,且标度律仅与模态数相关。旋转多边形主导模态的幅值在其主导转速区间内随转速呈现先升后降的非单调特性,且在相邻模态转换的临界转速区间,存在混合模态共存现象,其幅值演化表现为前序模态衰减与后续模态增长的动态竞争。.通过瞬态演化分析,提出了旋转多边形形成的三阶段动力学模型(快速轴对称变形、旋转多边形增长、充分发展阶段),发现主导模态幅值在临界转速附近存在超调现象,有效模态数(Napx)的动态演化进一步量化了多模态竞争过程。数值模拟揭示了旋转多边形流场的涡结构特征:水平切面上,多边形顶角处形成交替的径向-周向速度极值区,驱动局部旋涡;子午面上,Ekman泵效应主导的二次环流与自由表面变形耦合,强化了非线性失稳过程。基于本征正交分解(POD)的模态重构,明确了主导涡模态的空间结构与自由表面扰动的关联性。该项目的研究加深了对底盘驱动柱形容器中旋转多边形不稳定性的理解,研究成果为旋转机械内流动控制及自由表面流体动力学稳定性理论提供了重要的实验依据与理论支撑。.
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