单细胞龙卷风状涡旋中涡旋游走动力学的实验研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Experimental investigation of vortex wandering dynamics in single-cell tornado-like vortices

单细胞龙卷涡旋（TLVs）呈现周期性漫游现象，其动态行为受涡旋运动与漫游耦合影响。通过自主研发的涡旋模拟器结合粒子图像测速技术，采用稀疏促进动态模态分解（sp-DMD）方法解析涡旋结构演化规律。研究发现：随着涡旋比（swirl ratio）增大，涡旋结构扩散性增强，强度显著下降，漫游周期受涡旋比调控，且sp-DMD可分离出时间平均主导模态（第一模态）和漫游主导共轭模态（第二、第三模态），后者表现为对称反向旋转涡旋的周期性运动，对应能量衰减趋势与流动有序性向无序性转变特征。

　　

摘要

单细胞龙卷风状涡旋（TLVs）围绕时间平均的涡旋核心呈现周期性游动波动，这种现象被称为涡旋游动，是此类流动中最显著的周期性行为。涡旋运动与游动之间的耦合产生了复杂的旋流动力学，给分析带来了重大挑战。然而，关于涡旋游动分解的实验研究有限，这阻碍了人们对这一现象的深入理解。为了解决这一问题，设计了一个龙卷风模拟器来生成可控的单细胞TLV，并使用粒子图像测速法获得了高频速度数据。开发了一种促进稀疏性的动态模态分解（sp-DMD）方法来分离相干结构并分析动态特性。结果表明，随着旋流比的增加，涡旋结构变得更加分散，强度显著降低。在所有旋流条件下都存在涡旋游动现象，其周期性受到旋流比的强烈影响。重要的是，sp-DMD识别出两种主要模式：时间平均模式（第一模式），代表主导的旋转涡旋运动；以及以涡旋游动为主的模式（第二和第三共轭模式），这些模式对应于持续的周期性速度波动，并导致最显著的脉动。这些模式表现为一对围绕中心流动轴对称旋转的相反方向的涡旋。对Q准则的可视化显示了一个对称的偶极子模式。这表明旋转效应和剪切效应可能是涡旋核心周期性运动的原因。此外，随着旋流比的增加，以涡旋游动为主模式的能量减弱，运动从高能量、有序的状态转变为低能量、无序的状态。

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