海洋涡旋的模拟及PIV测量

林晓云，谭振宇，刘志恒，梁海森，孙深濠，王小怀

(韩山师范学院 物理与电子工程学院，广东 潮州 521000)

涡旋是流体团的旋转运动，是指一种半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起周围流体做圆周运动的流动现象[1-13]。在自然界中，涡旋有时能明显地看到，例如海洋中涡旋、大气中的龙卷风，桥墩后水流形成的旋涡区，划船时产生的旋涡等等。但在更多的情况下，人们不易察觉到涡旋的存在。例如，当物体在真实流体中运动时，在物体表面形成一层很薄的边界层，此薄剪切层中每一点都是涡旋；又如自然界大量存在着的湍流运动充满着不同尺度的涡旋，这些涡旋都是肉眼难以辨认的。目前观察涡旋现象的物理实验较少，并且存在着定量测量和操作性不理想等问题。为了应用于探究海洋中涡旋的形成和运动特点，本实验基于生活中所看到的水流形成的旋涡进行涡旋特性的研究，可在实验中观察到其稳定状态并测量其基本特性。本实验通过流体力学的黏性力理论和结合磁的库仑定律，利用磁相互作用带动搅拌子旋转形成稳定、可控的漩涡，采用PIV技术对涡旋流场进行任意截面的分层测量，利用MATLAB软件进行数据处理和分析，可全方位得到涡量、流速等流场信息，进而探究海洋涡旋的形成机理及其运动特性。

1 实验原理

1.1 液体黏性力相关理论

液体在外力作用流动(或有流动趋势)时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生……