海洋渦旋的模擬及PIV測量

林曉云，譚振宇，劉志恒，梁海森，孫深濠，王小懷

(韓山師范學院 物理與電子工程學院，廣東 潮州 521000)

渦旋是流體團的旋轉(zhuǎn)運動，是指一種半徑很小的圓柱在靜止流體中旋轉(zhuǎn)引起周圍流體做圓周運動的流動現(xiàn)象[1-13]。在自然界中，渦旋有時能明顯地看到，例如海洋中渦旋、大氣中的龍卷風，橋墩后水流形成的旋渦區(qū)，劃船時產(chǎn)生的旋渦等等。但在更多的情況下，人們不易察覺到渦旋的存在。例如，當物體在真實流體中運動時，在物體表面形成一層很薄的邊界層，此薄剪切層中每一點都是渦旋；又如自然界大量存在著的湍流運動充滿著不同尺度的渦旋，這些渦旋都是肉眼難以辨認的。目前觀察渦旋現(xiàn)象的物理實驗較少，并且存在著定量測量和操作性不理想等問題。為了應用于探究海洋中渦旋的形成和運動特點，本實驗基于生活中所看到的水流形成的旋渦進行渦旋特性的研究，可在實驗中觀察到其穩(wěn)定狀態(tài)并測量其基本特性。本實驗通過流體力學的黏性力理論和結(jié)合磁的庫侖定律，利用磁相互作用帶動攪拌子旋轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定、可控的漩渦，采用PIV技術(shù)對渦旋流場進行任意截面的分層測量，利用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，可全方位得到渦量、流速等流場信息，進而探究海洋渦旋的形成機理及其運動特性。

1 實驗原理

1.1 液體黏性力相關(guān)理論

液體在外力作用流動(或有流動趨勢)時，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子間的相對運動而產(chǎn)生……