周向凹槽间距对圆柱绕流湍流特性的影响：大涡模拟研究

研究人员针对圆柱体表面周向凹槽间距(s=H/S)对流动控制的影响开展大涡模拟(LES)研究。通过固定雷诺数(Re=3900)下对全包覆/半包覆圆柱的模拟发现：当凹槽间距比s≥3时，湍流动能(TKE)随凹槽数量(Ng)增加而升高；s<3时则呈现抑制效应。研究为海洋工程减阻及流动控制提供了新策略，成果发表于《Ocean Engineering》。

　　

在海洋工程和流体力学领域，圆柱结构物绕流产生的涡激振动(VIV)和流动阻力一直是困扰工程设计的难题。传统纵向肋条虽能改善流动特性，但对周向凹槽间距(s=H/S)的系统研究仍属空白。悉尼大学风浪水研究中心(Centre for Wind, Waves and Water, The University of Sydney)的Fengda Xing和Chengwang Lei团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过创新性的大涡模拟(LES)揭示了凹槽间距对流动控制的非线性调控规律。

研究采用动态Smagorinsky亚格子模型，在Re=3900条件下构建三维计算域(20D×10D×3D)。通过网格敏感性分析确定最优参数(第一层网格y⁺≈1.0，增长率1.05)，对比了8组全包覆(案例1-8)和6组半包覆(案例9-14)圆柱模型，固定凹槽高宽比H/W=0.5、H/D=0.0375。

【全包覆圆柱的湍流演化】

4.1节显示当s从78降至3时，时均阻力系数(C_D)提升23.6%，RMS升力系数(C_L,rms)激增262.9%，而斯特劳哈尔数(St)降低5.4%。图14的Q准则可视化表明，s=3(案例6)时雷诺应力u'v'达到峰值，对应最短回流区(L_r=0.95D)。

【半包覆圆柱的流动重构】

5.3节发现当s≤8.75时，凹槽两端形成显著展向流动区(图21)。案例10(s=8.75)的湍流动能峰值比案例14(s=0)高87.3%，而展向速度脉动u_3,rms随凹槽密集化降低68.1%(图22)。

讨论部分指出，该研究突破了传统纵向肋条的研究局限，首次阐明s=3是湍流增强/抑制的临界阈值。对于海上平台立柱等需要抑制振动的结构，可采用s<3的半包覆设计；而需增强混合的换热器管束则可选用s≥3的全包覆方案。研究为基于表面拓扑优化的被动流动控制提供了定量设计准则，其结论可推广至Re=60-7400的宽范围工况。