物体在静止流体中的自由上升或下降是一种由重力和浮力驱动的运动,包含流体-刚体耦合、流动分离、剪切层和旋涡的生成、演化、以及旋涡之间的相互作用等复杂的流体动力学现象。不同于流场中完全约束的物体,当物体运动时通常涉及到动边界、非定常及大分离问题,基于势流理论的传统流体力学方法很难处理这类问题。环形圆盘作为一种典型的非流线型物体,在自由下落过程中内外两个边缘上的旋涡结构相互作用,包含着复杂的非定常粘性流动机制。本文采用实验与数值模拟相结合的方法,针对环形圆盘在静止流体中自由下落问题,开展了环形圆盘自由下落过程轨迹和尾流场结构演化特性的研究,主要研究内容和成果如下:建立了静水中环形圆盘自由下落轨迹和姿态测量、尾流场结构测量实验方法。使用计算机立体视觉技术,通过在圆盘表面标记点,获取了圆盘下落过程中的运动轨迹及姿态信息。使用荧光染色技术定性地获取了圆盘尾流场的三维结构,使用粒子图像测速技术测量了圆盘在竖直平面和水平面上的尾流场结构。基于动计算域和大涡模拟模型,建立了计算环形圆盘自由下落过程的数值模拟方法,给出了数值模拟模型中的基本控制方程,并对数值模拟模型的有效性及网格无关性进行了验证。通过对不同几何参数环形圆盘的实验,将已有的描述实心圆盘自由下落模式的相图拓展到了三维参数空间,发现在不同的无量纲转动惯量*,雷诺数0)和内外径比例时,下落参数在相图上呈现出规律性分布。发现了一种新的下落模式:竖直间歇运动,其本质上是空间中的一维运动,但是在竖直方向会出现短暂停顿,呈现出间歇运动的特征。发现横向非规则运动是在三维参数空间中从一维到三维运动的过渡阶段,其运动轨迹不规则。详细对比了文献中已有的两种三维运动,进动运动和螺旋运动。通过对流场结构的分析发现,旋涡的生成与脱落是造成不同运动模式的原因,本征正交分解揭示了存在于流场结构中不同尺度的旋涡结构。为进一步研究环形圆盘运动自由度对流场结构的影响,分析了均匀来流中完全约束的环形圆盘在不同雷诺数下的流动状态,应用流线概率密度函数方法分析了中心孔射流的摆动特性。随着雷诺数的增加,圆盘尾流场从稳定向不稳定流动过渡,观察到了不同雷诺数下尾流场结构特征,中心孔的存在使流场变得更复杂。对相应雷诺数范围内圆盘自由下落运动进行分析,圆盘的运动轨迹呈现从稳定一维运动到空间中的三维运动的趋势。基于势流理论,得到了环形圆盘非匀速运动过程中附加阻力系数的计算方法,给出了描述刚体在流体中运动的Kelvin-Kirchhoff方程,并将附加质量力从总流体力中分离出来。分析了旋涡运动与圆盘所受到的流体力之间的关系。并进一步总结了完全约束环形圆盘与自由运动环形圆盘在相同的雷诺数范围内流场结构的异同,揭示了圆盘自由度对流场结构的作用。在已建立的数值模拟方法基础上,开展了影响环形圆盘下落轨迹及尾流场结构特性因素的研究,主要分析了圆盘内外径比例、无量纲转动惯量*以及刚体/流体密度比ˉ三种不同圆盘几何参数对下落轨迹及尾流场结构特性的影响。内外径比例对圆盘运动影响较大,当较小时,运动轨迹为规律的进动运动,而较大的圆盘运动轨迹不规则。分析了不同下,圆盘尾流场从开始下落时稳定的流场到流场结构失稳前的动态过程,发现了旋涡运动的规律。*对圆盘运动的影响主要体现在旋转运动上,重点分析了不同*的圆盘绕对称轴的角动量和流体力矩的变化。ˉ对圆盘运动的影响较小,为了抵抗圆盘增加的惯性力,圆盘受到的流体力相应增加。进一步对进动运动平面轨迹进动的机理进行了分析。