初始角度对平板自由下落运动的影响

平板的自由下落是一个经典的流体力学-动力学耦合问题,且具有明显的非线性特性.针对二维平板自由下落的非线性特性,文章通过耦合求解N-S方程和运动方程,以期认识其非线性特征.从不同初始角度对平板自由下落状态和轨迹的影响出发,分析了运动状态的相轨线和频谱特性,以及其中的非线性系统特征.研究发现,在平板自由下落初期,不同初始角度下平板呈现不同的运动状态和轨迹,常为非周期性摆动或小幅翻滚运动.在自由下落后期,平板自由下落最终呈现周期性摆动或翻滚运动,运动模态归为一致,初始角度对该模态没有影响.

平板自由下落的数值模拟

采用动网格技术,通过耦合求解N-S方程和运动方程的方法进行数值模拟,研究二维平板的自由下落运动。选取了不同质量分布的二维平板作为研究对象,研究初始角度、转动惯量和质心位置等因素对其自由下落运动轨迹的影响,以及其中的流体力学和动力学机理。数值模拟结果显示了二维平板的自由下落运动,除了摆动运动、翻滚运动和定常下落等经典运动轨迹外,随着质心位置的偏移还会衍生出非对称摆动、摆翻运动等特殊运动轨迹。研究结果表明:无量纲转动惯量和质心位置是决定二维平板自由下落运动方式的重要参数,但两者对下落运动影响的物理机制存在差异。这些结果对相关物理问题,特别是低雷诺数流体力学和动力学研究,具有一定的指导意义。