无涡旋脱落不稳定性条件下湍流二次涡街的形成机制研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Formation of turbulent secondary vortex street in absence of vortex shedding instability

本研究针对钝体远尾流中出现的湍流二次涡街(SVS)形成机制展开深入探索，通过时间分辨粒子图像测速(PIV)和大涡模拟(LES)技术，系统分析了高孔隙率钝体尾流结构。研究发现SVS是近尾流剪切层涡旋在缺乏卡门涡街情况下持续增长并最终排列形成的交替涡旋结构，自由流湍流和钝体非均匀性会显著影响SVS发展。该研究为湍流尾流自相似性理论提供了重要实验证据，对风力发电机等工程应用具有重要指导意义。

　　

在流体力学研究领域，钝体绕流产生的湍流尾流一直是最具挑战性的课题之一。从风力发电机叶片到高层建筑，这些工程结构背后的流动现象不仅影响着能源效率，更关系到结构安全。传统的湍流尾流理论建立在自相似性假设基础上，认为远离钝体的尾流会"忘记"初始条件，达到一种"移动平衡"状态。然而这一经典理论却与实际情况存在矛盾——在远尾流区域观测到的大尺度相干结构似乎保留着近场流动的"记忆"。

这一矛盾的核心在于二次涡街(Secondary Vortex Street, SVS)现象。当著名的卡门涡街(Primary Kármán Vortex Street)消失后，远尾流中会出现比卡门涡更大的涡旋结构，它们以更低的斯特劳哈尔数(Strouhal number)持续存在相当长的距离。关于SVS的形成机制，学术界存在两种对立观点：Townsend学派认为这是局部平均应变产生的独立现象；而Huang和Keffer则主张SVS与初始条件密切相关，是近尾流结构的延续。正是为了解决这一基础科学争议，帝国理工学院的Elif Bekoglu等研究人员在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员采用了多手段结合的研究策略，包括时间分辨粒子图像测速(Time-resolved Particle Image Velocimetry, PIV)和大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)两种关键技术。实验在截面为0.6×0.6 m²的水槽中进行，针对四种高孔隙率钝体（网板和孔板）的湍流尾流进行详细表征。通过在上游安装湍流网格和改变钝体孔隙率均匀性，系统考察了环境湍流和初始条件对SVS发展的影响。数值模拟采用Xcompact3d求解器，在1921×321×160网格点上进行，雷诺数为6000，使用动态Smagorinsky模型进行湍流建模。

瞬时涡量场分析揭示了下游流动拓扑结构的演变过程。在LES和网板情况下，剪切层在x/D≈11（LES）和x/D≈7（网板）开始相互作用，随后出现明显振荡，形成清晰的SVS结构。而孔板和加网格网板情况由于增强了混合，导致剪切层更早相互作用，SVS振荡幅度减弱。

尾流中心线速度与湍流强度分布显示了各案例的统计特性差异。LES和网板案例在钝体后方出现明显的速度下降区域，对应缓冲区的存在。而孔板和网格案例由于增强的混合作用，缓冲区显著缩短。湍流强度分布表明，增加自由流湍流和板非均匀性会使湍流强度峰值前移。

速度时间序列的谱分析通过预乘能量谱和互功率谱密度(Cross Power Spectral Density, CPSD)分析，发现了频率特征的系统性演变。在近尾流区域，剪切层显示出高斯特劳哈尔数的低能量峰值，随着向下游发展，主导频率逐渐向St≈0.2移动，对应SVS的形成。CPSD分析进一步证实了SVS涡旋的相干性在LES和网板案例中更为显著。

模态分解分析通过谱本征正交分解(Spectral Proper Orthogonal Decomposition, SPOD)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)技术，揭示了流动结构的时空演化规律。SPOD分析显示，在St≈1频率处存在与剪切层开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtz Instability, KHI)相关的波包结构，随着频率降低(St≈0.1-0.3)，这些结构演变为跨越整个尾流宽度的SVS涡旋。

POD滤波动态演化分析清晰地展示了SVS的形成过程：近板剪切层中形成的涡旋"团"增长到临界尺寸后"侵入"相对剪切层，最终排列成规则的涡街。这一过程直接证明了SVS与初始条件的内在联系，而非纯粹的局部现象。

研究结论明确支持Huang和Keffer的观点，即SVS与流动初始条件密切相关，是近尾流剪切层涡旋演化的直接结果。这一发现对Townsend的自相似性理论提出了重要修正，表明远尾流中的相干结构确实携带了近场流动的"记忆"。工程应用方面，该研究为风力发电机尾流建模和优化提供了重要理论基础，特别是对理解尾流蜿蜒(wake meandering)现象与SVS的相似性具有指导意义。通过控制钝体孔隙率分布和自由流湍流强度，可以有效调控SVS特性，为相关工程设计提供了新思路。