初始角度對(duì)平板自由下落運(yùn)動(dòng)的影響

梁 彬, 張石玉, 付增良

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

引 言

氣動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)耦合作用、 以及非定常流動(dòng)現(xiàn)象的存在, 使得平板的自由下落成為一個(gè)經(jīng)典的流體力學(xué)-動(dòng)力學(xué)耦合問題, 一直以來都有相關(guān)的研究. 由于下落過程中常常出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的不確定性, 該問題也是一個(gè)典型的非線性問題. Maxwell[1]最早定性解釋和描述了紙片的自由翻滾下落運(yùn)動(dòng). Anderson等[2]和Pesavento等[3]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法, 針對(duì)二維平板的下落問題建立力學(xué)模型, 解釋了其中的非定常氣動(dòng)力機(jī)制, 并分析了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果之間存在差別的原因. Belmonte等[4]、 Assemat 等[5]都詳細(xì)研究了二維平板自由下落中不同的非定常運(yùn)動(dòng)軌跡, 并研究了影響運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù). Wan等[6], Tian等[7-8]、 Kubota等[9]詳細(xì)研究了平板自由下落中的流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程. Belmonte等[4]、 周琪[10]、 蔡琛芳等[11]還獲取了二維平板不同下落運(yùn)動(dòng)之間, 如翻滾和擺動(dòng)兩種規(guī)律性運(yùn)動(dòng)間的轉(zhuǎn)變臨界參數(shù). 蔡琛芳等[11]研究了不同質(zhì)心位置對(duì)平板下落運(yùn)動(dòng)軌跡的影響. 同時(shí), 平板的自由下落問題也是植物種子散播[12-14]、 紙片、 葉片飄落、 氣泡上升[15]、 昆蟲飛行[16]、 仿生撲翼飛行器[17-18]等自然現(xiàn)象和工程應(yīng)用的簡(jiǎn)化物理模型以及基本原理體現(xiàn), 具有一定的研究?jī)r(jià)值.

無(wú)論采用實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算模擬方法, 上述以往的研究都集中在下落過程的周期性振蕩, 對(duì)下落過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象研究很少, 一般采用同一初始狀態(tài)、 或是簡(jiǎn)單對(duì)比幾個(gè)初始狀態(tài)的影響后選取一個(gè)開展研究……