关于气泡状刚性钝体周围流动的稳定性与动力学

《Journal of Fluid Mechanics》：On the stability and dynamics of flows past bubble-shaped rigid bluff bodies

气泡状钝体绕流稳定性研究：通过数值模拟和实验（PIV/LIF）分析球形与椭圆形几何（长细比0.2-2.0）的流动特性，发现稳定域随长细比增大，经重新标定后临界雷诺数与几何无关，实验与理论/DNS结果吻合。

　　

摘要

本文通过数值模拟和实验研究了对称轴状气泡形状刚性钝体周围流动的稳定性和动力学特性。受静止液体中上升气泡形状的启发，这些钝体被建模为球形和椭圆形的帽状结构。这些几何形状的表征参数是其长宽比（记为 $\chi$），定义为气泡高度与底面半径的比值，其范围从 $0.2$ 变化到 $2.0$。在对称轴流场中施加三维扰动的情况下进行了线性稳定性分析。与之前的钝体尾流研究结果一致，主要分叉过程是稳态的，随后发生振荡性的次级分叉，其中主导的全局模式对应于方位波数 $m = 1$。研究发现，对于本文考虑的两种几何形状，稳定性区域都随着长宽比的增加而扩大。使用再循环区域的范围和逆流速度的最大值作为长度和速度的量纲进行重新缩放后，发现与主要分叉相关的临界雷诺数与长宽比无关。通过激光诱导荧光和粒子图像测速技术对尾流特性进行了实验研究，观察到在主要分叉后流动仍保持平面对称性，并且在次级分叉之后这一对称性仍然存在。实验测量的波长和频率与全局稳定性分析的结果非常吻合。这些观察结果通过直接数值模拟三维流场得到了进一步验证。使用适当的正交分解方法对实验测量的速度场进行分解后，发现与主要和次级分叉相关的临界雷诺数以及得到的主导模式与全局模式形状和数值计算结果非常吻合。

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