自由下落圆盘的非定常空气动力学研究

流体中物体的自由上升下落运动牵涉到复杂的流固相互作用，是非定常空气动力学中的经典问题, 在航空航天、气象、生物、水利、化工等多个领域受到广泛关注，具有重要的科学意义和实用价值。自由上升下落圆盘是研究的热点之一，最近在小转动惯量范围观测到新的三维螺旋运动和流动旋涡分离结构，但它们之间的动力学关系尚不清楚。本项目对下落圆盘在小转动惯量时摆动到螺旋以及大转动惯量时摆动到翻滚的演化过程展开实验研究。在对圆盘六自由度位姿测量得到非定常流体作用力和力矩的同时，通过PIV技术得到流场中的分离和尾涡结构变化的同步测量结果，从而揭示流动结构演化与非定常气动力之间的关联，建立粘性作用力和力矩演化的物理模型。

本项目对圆盘自由下落过程中的非定常流动现象开展了研究。首先，在雷诺数小于200的范围里，随着雷诺数的增大，观测到轴对称，平面对称，反轴对称和周期平面对称等四种不同的尾涡结构，这四种结构的产生与不同雷诺数范围不稳定性的性质有关；第二，在雷诺数500-5000范围内研究了圆盘周期振动的动力学性质，得到振幅、频率等与雷诺数的关联，观测到偶极子涡对等新的流动结构；第三，对彩色荧光流动显示技术，三维表面摩擦场荧光油流测量技术以及快速响应压敏涂料技术开展研究，并在风洞应用中取得进展。