差异旋转运动中惯性力作用的实验研究及数值模拟

差异旋转是在旋转系统内，由于质点存在相对运动速度而使旋转角速度存在差异，在排沙漏斗工程及旋转容器实验中已经发现正负差异旋转惯性力作用于泥沙或颗粒现象。自然界有很多复杂旋转运动，例如台风、卡门涡街、龙卷风、水体旋涡、湍流等等，这些涡流表面看起来是随机的，实质上却是因为旋转角速度不同而形成的差异旋转，而差异旋转惯性力很可能是造成这些旋转运动的主要原因之一。目前旋转运动采用差异旋转惯性力理论分析研究的很少，只有课题组在进行旋转多相流科氏力作用研究中提出旋转科氏力对颗粒或泥沙作用。本项目采用流体及固体实验并结合数值模拟方法，对多种差异旋转运动中惯性力作用进行研究，在理论上探明旋转运动中差异旋转惯性力的产生机理和规律，为应用差异旋转原理初步解释自然界中旋转星系、黑洞、厄尔尼诺、龙卷风、地壳运动等各种旋转运动成因提供新思路，对研究旋转运动的力学原理具有重要理论意义和学术价值。

差异旋转是在旋转系统内由于质点存在相对运动速度从而使旋转角速度存在差异，自然界有很多复杂旋转运动，例如天体行星运动、龙卷风、水体旋涡、弧线球等等，这些运动表面看起来是随机的，实质上是因为旋转角速度不同而形成的正负差异旋转，而差异旋转惯性力是造成这些旋转运动的主要原因之一，研究差异旋转惯性力作用机理对旋转运动力学理论具有重要理论意义和学术价值。. 课题组提出了正负差异旋转惯性力概念，探讨了旋转运动中差异旋转惯性力的作用。根据差异旋转定义，在实验室内设计并制作了正负差异旋转模型（水平旋转圆筒液流试验、水平旋转圆盘试验和双筒同心液流旋转试验），试验过程中使用高速摄像机来捕捉固体单颗粒的运动轨迹，量测了在不同条件下旋转试验中各物体相对运动参数，采用单颗粒运动学及动力学模型分析固体单颗粒在旋转液流中的运动特性和受力规律，计算得到不同旋转运动的差异旋转惯性力。同时针对差异旋转运动基于FLUENT建立了数学模型，采用DPM离散相模型捕获颗粒运动轨迹，计算颗粒在不同位置速度，对比试验结果验证数学模型是可靠的，然后用该模型数值模拟多工况不同条件下的差异旋转运动，并结合模型试验，得到在一般差异旋转运动中，颗粒主要受到差异旋转惯性力和离心力作用，对于不同旋转运动在不同工况条件下，其所受差异旋转惯性力和离心力数值也不相同（可以是不同数量级），方向可以相同也可以相反，差异旋转惯性力占主导做向心运动，离心力占主导做离心运动；并给出旋转圆筒液流和双筒同心液流在不同条件下旋转运动的判断依据和差异旋转惯性力计算。依据排沙漏斗模型试验流速测试数据，采用差异旋转理论分析说明了排沙漏斗设施能够高效水沙分离的原因。经过对旋转星系等自然现象观测数据的计算和分析，从差异旋转理论角度，初步证实了正负差异旋转惯性加速度是旋转星系、黑洞、厄尔尼诺、地壳运动等旋转运动现象的力学本质。. 课题研究设计了旋转运动物理模型，建立了差异旋转运动数学模型，通过模型试验和数值模拟研究，证实了多数旋转运动中存在差异旋转惯性力的作用，阐明了旋转运动中差异旋转惯性力作用的力学原理，揭示了差异旋转惯性力作用规律。并应用差异旋转惯性力理论，初步分析解释了自然界中各种旋转运动的力学成因。为旋转运动力学理论研究打开一扇新的窗口，也为自然界复杂旋转运动物理现象的力学分析提供了新思路。