梁 彬, 张石玉, 付增良

(中国航天空气动力技术研究院, 北京 100074)

引 言

气动力和运动耦合作用、 以及非定常流动现象的存在, 使得平板的自由下落成为一个经典的流体力学-动力学耦合问题, 一直以来都有相关的研究. 由于下落过程中常常出现运动的不确定性, 该问题也是一个典型的非线性问题. Maxwell[1]最早定性解释和描述了纸片的自由翻滚下落运动. Anderson等[2]和Pesavento等[3]结合实验和计算方法, 针对二维平板的下落问题建立力学模型, 解释了其中的非定常气动力机制, 并分析了实验和计算结果之间存在差别的原因. Belmonte等[4]、 Assemat 等[5]都详细研究了二维平板自由下落中不同的非定常运动轨迹, 并研究了影响运动轨迹的参数. Wan等[6], Tian等[7-8]、 Kubota等[9]详细研究了平板自由下落中的流动涡结构和发展过程. Belmonte等[4]、 周琪[10]、 蔡琛芳等[11]还获取了二维平板不同下落运动之间, 如翻滚和摆动两种规律性运动间的转变临界参数. 蔡琛芳等[11]研究了不同质心位置对平板下落运动轨迹的影响. 同时, 平板的自由下落问题也是植物种子散播[12-14]、 纸片、 叶片飘落、 气泡上升[15]、 昆虫飞行[16]、 仿生扑翼飞行器[17-18]等自然现象和工程应用的简化物理模型以及基本原理体现, 具有一定的研究价值.

无论采用实验还是数值计算模拟方法, 上述以往的研究都集中在下落过程的周期性振荡, 对下落过程中出现的非线性现象研究很少, 一般采用同一初始状态、 或是简单对比几个初始状态的影响后选取一个开展研究……