龙卷风等旋转流体的受力分析

龙卷风等旋转流体的受力分析

一、 摘要:

本文通过实物试验,和数值模拟验证了龙卷风的双漏斗对流结构的可行性。实物试验包括密闭容器中旋转液体的受力试验、密闭容器中旋转流体的出流试验,达到了模拟龙卷风漏斗形结构的目的。通过数值模拟试验,验证了实物试验与理论之间的正确关联,并且实现了将水模型与气体模型间的移植。实物试验中我们主要用到的是水的漩涡模型。流体的数值模拟我们主要用的是fluent的二维单精度求解器,和三维双精度求解器。采用VOF多相流模型求解,然后得到了试验各部分的压力、密度等数据。最后我们阐述双漏斗对流模型的结构,并对龙卷风的一些自然现象作出解释。

关键词:对流双漏斗结构,实物试验,数值模拟 二、引言:

如果说物质的绝对运动是宇宙中普遍存在的规律,那么物质的旋转运动,就是宇宙中物质运动的普遍运动方式。从微观的原子到宏观的宇宙天体,从自转到公转,各种各样的物质,都在做旋转运动。不同物质的旋转运动规律不同,但不同物质之间又存在着联系。本文以龙卷风为主要研究对象,研究旋转流体的运动规律。

大自然里的龙卷风诞生在雷雨云里。在雷雨云里,空气扰动十分厉害,上下温差悬殊。在地面,气温是摄氏二十几度,越往高空,温度越低。在积雨云顶部八千多米的高空,温度低到摄氏零下三十几度。这样,上面冷的气流急速下降,下面热的空气猛烈上升。上升气流到

达高空时,如果遇到很大的水平方向的风,就会迫使上升气流?倒挂?(向下旋转运动)。由于上层空气交替扰动,产生旋转作用,形成许多小涡旋。这些小涡旋逐渐扩大。上下激荡越发强烈,终于形成大涡旋。大涡旋先是绕水平轴旋转,形成了一个呈水平方向的空气旋转柱。然后,这个空气旋转柱的两端渐渐弯曲,并且从云底慢慢垂了下来。对积雨云前进的方向来说,从左边伸出云体的叫?左龙卷?,从右边伸出云体的叫?右龙卷?;前者顺时针旋转,后者反时针旋转。伸到地面的一般是右龙卷,左龙卷伸下来的机会不多。

龙卷风的范围小,直径平均为200-300米;直径最小的不过几十米,只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促,往往只有几分钟到几十分钟,最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米,最快的可达70米;移动路径的长度大多在10公里左右,短的只有几十米,长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度,一般只有l-2公里。

在世界上的某些国家中,龙卷风带来的损失十分巨大。然而,龙卷风的寿命十分短暂,并且不能准确判断出产生地点,所以收集龙卷风本身就是一项难题,认识龙卷风更是人们迫切的愿望。 三、概述:

龙卷风的受力分析,我们从以往对龙卷风的认识,了解到龙卷风是由对流天气引发的小型天气系统,拥有极高的旋转速度。以往对龙卷风的认识,成功的解释了部分自然界中龙卷风的现象,但在诸多领域中,龙卷风依然存在着很多位臵的问题。

由于观测龙卷风是在拥有先进设备,和大量人力物力的前提下才能进行的工作,所以对于龙卷风测量数据的采集,我们多数参考书籍和论文。但是这并不对我们研究龙卷风造成影响 。

认识龙卷风,可以从生活中取材。一般龙卷风中的介质,来源于地面的热空气,和高空云层中的寒冷的冰晶、水蒸气。存在着温度,质量,密度等方面上的差距。但是龙卷风形成后所产生的漏斗形结构,却是生活中很常见的一中漩涡结构,利用水可以轻易的模拟。

要搞清楚龙卷风的结构,和其中的压力状况。我们必须先弄清楚龙卷风的形成动力源,和形成条件。所以我们用水为材料,分别做了两组实际试验,和数值模拟试验,来验证我们的龙卷风模型。第一个试验是密闭容器中旋转液体的受力试验,目的为了论证龙卷风的形成条件,同时为了与第二个试验做对比,解释说明在旋转状态下会加速气体或液体的对流。第二个试验是密闭容器中旋转流体的出流试验,目的是为了论证龙卷风的形成原因,形成过程,以及对龙卷风漏斗形结构的解释。最后我们陈述出我们自己的龙卷风模型,并用数值模拟得出龙卷风内部的压力,并用我们所建立的模型来解释一些龙卷风的自然现象。

四、密闭容器中旋转液体的受力试验 4.1实物试验

实验材料:圆形水瓶一个,蓝色染色液,刻度尺。

实验测量:测量水瓶的长度180mm,水瓶直径70mm。

实验步骤:向水瓶中加入一定量的水,使水平面刚好到达水瓶高

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