涡环与多孔壁面相互作用的拖曳效应

《Journal of Fluid Mechanics》：On the drag of vortex rings interaction with a porous wall

　　

摘要

通过时间分辨粒子图像测速法（PIV）和激光诱导荧光法（LIF），研究了层流涡环撞击多孔壁时的流动与阻力特性。在恒定孔隙率（${d}_{{h}}^*$ = 0.067–0.20）条件下，研究了不同孔径（${\phi } = 0.75$）情况下的流动特性。涡结构的变化通过有限时间李雅普诺夫指数来描述。为更好地理解透射涡环的形成，利用LIF图像在横截面中构建了三维结构。此外，还通过物理信息神经网络从PIV数据中确定压力场，进而利用控制体积法计算阻力。研究结果表明，阻力会随着涡与壁面的相互作用而呈现非稳态变化。在强相互作用阶段，阻力显著受到动量对流通量和压力项的影响，这些因素与${d}_{{h}}^*$对近壁面流动特性的影响有关。值得注意的是，当${d}_{{h}}^*$ = 0.20时，压力项可能会产生负贡献，从而导致阻力局部降低。相反，在弱相互作用阶段，阻力特性似乎并不受${d}_{{h}}^*$的影响。进一步分析表明，对于有限厚度的多孔板，摩擦阻力的作用远大于形状阻力。此外，还提出了一种无需定量测量即可预测脉冲损失的先验方法。基于该方法可估算平均阻力，其结果与实验值十分吻合。

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