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构树叶在风中的振动和变形研究

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发布日期:2018-10-31 10:08

摘要:通过风洞实验研究垂直于来流悬挂的构树叶在025m/s风速段的形态重构现象。根据构树叶分裂情况将其分成心形、单侧分裂、双侧分裂3种, 迎风面正、反面各半。在实验风速段内, 构树叶存在3类形态 (飞翼形、锥形、薄三角翼形) , 主要有3种卷缩方式 (U形、ω形和σ形) .统计数据表明, 树叶分裂情况会在发生概率上影响重构的形态和卷缩方式, 但不会从根本上决定某一形态或卷缩方式的出现。与正面迎风比较, 反面迎风的失稳重构次数减少, 气动性能更佳。叶片角在风速小于6m/s时随风速增加锐减, 然后变化速度减缓, 最后风速大于14m/s后在0°附近几乎不变;随着雷诺数增加, 构树叶的阻力系数减小, 最后稳定于0.05附近。
  
  关键词:构树叶; 形态重构; 叶片角; 阻力系数;
  
  树叶的气动特性的相关研究成果被广泛运用于飞行器的形态设计[1]和新型风力发电技术的研究[2], 因此树叶在风中的振动和变形研究具有相当高的实用价值。
  
  Vogel[3-4]通过风洞实验首次发现:叶柄较长、具有裂片的树叶 (如红枫、鹅掌楸) 或羽状树叶, 在风中具有形状重构的能力;随着风速的增大, 可以自动卷缩成近似流线体的锥状以减小所受的气动阻力并避免出现强烈振动。Miller等[5-6]在水槽中进行实验, 发现一些阔叶植物叶片在较高流速下同样卷成锥形, 且会在锥体内部形成再循环区域进行减振。Speck[7]研究了芦竹在风中的形状重构及迎风面积变化, 证明芦竹也有形状重构减小迎风面积以减小风阻力的能力。Shao等[8-11]发现, 当树叶垂直悬挂时, 杨树、鹅掌楸、梧桐等树叶也出现形状重构现象。此外, 树叶垂直悬挂时在时均气动力的作用下, 叶柄会发生弯曲, 叶片角会发生较大变化。Shao[10]利用天平测试3个方向力和3个方向的力矩, 根据天平测量结果近似计算出鹅掌楸树叶叶片角随风速变化的趋势, 但未在实验证实。
  
  本次实验主要研究构树叶的重构形状和卷缩方式, 并探究构树叶的形状和迎风面的不同对其的影响, 同时记录叶片角和阻力系数的变化情况。
  
  1 实验材料
  
  构树叶为广卵形至长椭圆状卵形, 长6~25cm, 宽5~18cm, 先端渐尖, 基部心形, 不分裂或1~5裂, 柄长2~15cm, 按照分裂情况可分为心形、对称分裂、单侧分裂3类, 是Vogel的研究[3-4]中非常理想的具备形状重构能力的树叶。
  
  实验选用的新鲜构树叶涵盖各种形状, 且均叶柄笔直, 采摘于浙江杭州, 实验时间5月到10月。如图1, 构树叶在自然状态下朝上一面为正面 (光照面) .实验树叶共120片, 三种形状、两种迎风面各20片, 他们的叶片面积、叶柄粗细接近正态分布, 叶柄长度在各类叶型分布均匀。
  
  实验风洞是回流式低速流体力学风洞, 实验段透明, 流速范围为0.5~50m/s, 湍流强度小于0.5%.实验天平是扬州科动电子生产的KD460030系列应变式六分量风洞天平, 量程0~30N.实验使用photronfastcam mini高速相机, 搭配尼康镜头进行拍照。

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复合影响因子: 综合影响因子: 期刊分类:自然科学

出版地:北京

发行周期: 月刊

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