液体中圆形体由变形耦合质心改变产生的运动

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流体中变形体的自推进以及多个运动物体之间的水动力相互作用问题一直以来是理论流体力学的重要课题,并且有着重要的工程应用,特别是在水下机器人和海洋运载工具的设计方面具有重要的指导意义。但是,目前人们对于流体中的变形体的自推进运动以及多个变质心物体之间的相互作用问题还不是十分清楚。本文研究了单个和两个圆形体在二维、无粘流体中的非定常运动。首先,对于单个膨胀/收缩圆形体研究了其自推进问题,利用基尔霍夫公式推导出了流体作用在圆形体上的力和力矩,然后得到了代数形式的运动方程组。理论分析以及计算结果表明,无粘流场中的圆形体在没有外力作用以及涡脱落的情况下,通过膨胀/收缩变形耦合质心运动就可以从静止状态下运动起来。平均迁移速度与膨胀/收缩变形速度成正比。通过改变圆形体的变形以及其质心运动模态,圆形体可以产生各种连续的运动形态。对于两个质心变化的圆形体在流体中的运动问题,通过连续补偿函数的方法的推导出了因两个圆在流场中运动产生的复势。通过建立流-固系统的拉格朗日方程,给出了在没有外力作用下圆形体的运动方程组,并利用四阶龙格-库塔法计算该常微分方程组。计算结果表明,仅通过质心运动,圆形体能够在不需要变形的情况下从静止状态下运动起来。当质心沿两个圆形体沿连心线往复运动时,它们之间呈现相互排斥。当质心沿垂直于连心线方向往复运动时,两个圆形体呈现相互吸引。
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