湍流边界层马蹄涡结构的数值模拟与发展演变

本文主要探讨了湍流边界层近壁区马蹄涡（Horseshoe vortex）的数值模拟与分析，特别是在低雷诺数槽道湍流条件下的研究。2011年的这篇论文通过大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）技术进行了深入的数值实验，这种方法适用于处理复杂流动问题，但对计算精度和网格要求较高。 论文首先介绍了采用给定扰动波的进口边界条件，使得模拟能够从初始的过渡阶段快速过渡到完全发展的湍流状态。作者选择的动量厚度雷诺数Reθ为670，这在工程实践中是一个关键参数，用于衡量流体流动的湍流程度。大涡模拟的结果被与直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）进行比较，以验证模拟结果的准确性和可靠性。 研究的核心发现是马蹄涡的形成与演变过程。当两股沿流方向的涡旋腿接近时，它们会合并形成更大的马蹄涡结构。然而，如果涡旋腿之间的距离过远，马蹄涡的头部将不会闭合，而是呈现开口状态。最终，单侧的沿流涡旋会发展成马蹄涡。这个过程在图4中得到了清晰的展示，从倾斜涡旋沿着流线逐渐发展为典型的马蹄涡形态。 图5进一步描绘了这个演变过程，如图5(a)至图5(d)，展示了从倾斜涡旋到马蹄涡的具体转变。当涡旋头部向横向倾斜时，头部沿横向拉长，导致这部分涡旋管变细并延伸。随着涡旋头部沿横向伸展，它最终形成了一个完整的马蹄涡结构，如图5(c,d)所示。 此外，研究还揭示了湍流场中存在亚谐波引起的拟序结构，即在马蹄涡的形成过程中，流场中的涡旋分布并非随机，而是呈现出一定的周期性模式。这种拟序结构对于理解湍流边界层内的流动特征至关重要，因为它反映了流体动力学中的非线性相互作用和局部组织。 该论文通过对湍流边界层内马蹄涡的细致数值模拟，不仅提供了对这种复杂流动现象的定量描述，还为后续的流体力学理论发展和工程应用提供了有价值的参考数据和见解。通过深入理解马蹄涡的形成、演化及其影响因素，可以为优化流体动力学系统的性能和控制提供关键指导。