重质与浮力水下摆的动态特性
流体动力学
2019-02-20 v1
摘要
简易摆常被视为由重力驱动的简单振荡器的原型。在理想情况下，摆的振荡频率与其质量和摆幅无关。然而，在大多数现实情形中，摆的动力学并非如此简单，尤其当摆与周围流体存在额外相互作用时。在此我们将摆的研究拓展至流体中重质与浮力摆的大幅振荡。我们在水中用实心与空心圆柱摆进行实验，并构建了考虑浮力、附加质量、流体（非线性）阻力及轴承摩擦的简单模型。该模型在一阶近似下较好地预测了振荡频率、峰值减速度和阻尼率。模型很好地捕捉到非线性阻力的一个有趣效应：对于重质摆，阻尼时间对摆质量呈非单调依赖，当摆质量密度接近流体两倍时达最小值。观察到与模型预测的小偏差，尤其出现在振荡的第二及后续极大值处。利用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV)，我们揭示这些偏差可能源于摆在早期时刻所产生的扰动流场。由PIV获得的平均尾流速度被用于建模由 incoming wake flow 引起的额外阻力项。修正后的模型显著改善了对第二及后续振荡的预测。
引用
@article{arxiv.1901.01115,
title = {Dynamics of heavy and buoyant underwater pendulums},
author = {Varghese Mathai and Laura Loeffen and Timothy Chan and Sander Wildeman},
journal= {arXiv preprint arXiv:1901.01115},
year = {2019}
}
备注
15 pages, 8 figures, J. Fluid Mech. (in press)