【运动学】基于惯性球在表面重力波中沉降的实验研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

惯性球在表面重力波中沉降的运动学实验研究：方法、现象与规律 惯性球在表面重力波中的沉降过程是流体力学与颗粒运动学交叉领域的典型问题，其核心是揭示**波动流场与颗粒惯性**的耦合作用机制——不同于静止流体中颗粒的匀速沉降（终端速度主导），表面重力波的周期性流场会使惯性球同时产生垂直沉降与水平漂移，形成复杂的三维运动轨迹。该研究对海洋环境（如浮游生物迁移、污染物颗粒扩散）、工业过程（如液-固分离、波动场中颗粒输运）及工程应用（如波浪能装置内颗粒阻尼设计）具有重要理论与实践价值。本文从实验设计、运动学参数测量、现象分析及规律提炼四方面，系统阐述该类实验研究的核心内容与关键发现。

一、研究背景与科学问题

表面重力波是液体表面受重力与表面张力共同作用形成的周期性波动（如海洋波浪、水槽波纹），其流场具有周期性、非均匀性、涡旋性三大特征；而惯性球（密度与流体存在差异的刚性球体）在该流场中的沉降，本质是 “颗粒惯性力、流体黏性力、波动诱导力、重力” 四力平衡与动态演化的过程。现有研究需解决三个核心科学问题：

1. 表面重力波的关键参数（波长 λ、振幅 A、周期 T）如何定量影响惯性球的沉降速度（垂直方向）与漂移速度（水平方向）？

2. 惯性球的物理特性（密度 ρₚ、直径 d、惯性参数 St，即 Stokes 数）与波动流场的匹配关系如何改变其运动轨迹形态？

3. 波动流场中的涡旋结构（如波峰 / 波谷处的二次流）与惯性球的相互作用是否会产生 “沉降延迟”“轨迹偏移” 等特殊运动学现象？

二、实验系统设计与参数控制

惯性球沉降实验的核心是构建可精确调控的表面重力波场与高时空分辨率的运动测量系统，确保实验条件可重复、运动参数可量化。以下为典型实验系统的设计方案：

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

num_img = numel(a); % # of tif images

for ii=1:num_img

    s = strcat('img (',num2str(ii),').tif'); 

    b = imread(s);

    img_3d(:,:,ii) = uint8(b(:,:)); %stack of images

end

% remove background

bg_img = min(img_3d,[],3); % background image

img_bgr = img_3d -bg_img;  % Background removed img (bgr:background removed)  

imshow(img_bgr(:,:,1))

%% Centroid Detection via Hough Transform (imfindcircles)

clc;

close all;

🔗 参考文献

[1]程选生,杜永峰.弹性壁板下钢筋混凝土矩形贮液结构的液动压力[J].工程力学, 2009.DOI:JournalArticle/5af342e7c095d718d809c4b0.

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