三维湍流圆柱尾流的无身体模拟
流体动力学
2026-04-15 v2 计算物理
摘要
我们提出了一种用于三维湍流圆柱尾流的无身体模拟框架，其中上游圆柱不显式解析。相反，直接求解简化的矩形域中的不可压缩 Navier--Stokes 方程，并使用来自实验测量或预计算的直接数值模拟 (DNS) 的速度轮廓来指定入口条件。我们指出，对于此处考虑的雷诺数，仅在单个下游位置指定低维入口信息即可足以重构圆柱尾流的主要动力学，包括三维性、有序涡街、雷诺应力分布和谱内容，分别对应 、 和 。与全身 DNS 和粒子图像测速 (PIV) 测量结果的比较显示，在平均速度轮廓、雷诺应力和主导脱落频率方面结果良好一致。进一步的局部稳定性分析表明，当施加的入口选自绝对不稳定近尾区时，才能实现成功的尾流重构。结果支持现有理论，即钝性身体尾流的关键动力学主要由近尾轮廓的不稳定性而非身体本身的显式存在所支配。首次阐明了三维性开始作用的作用。相对于包含圆柱的完整 DNS，本文提出的无身体模拟在计算成本上显著降低，为尾流重构、降低复杂度模拟和流控研究提供了具有物理可解释性且计算高效的途径。
关键词
引用
@article{arxiv.2510.24922,
title = {Body-Free Simulation of Three-Dimensional Turbulent Cylinder Wakes},
author = {Zhicheng Wang and Theo Käufer and Khemraj Shukla and Michael Triantafyllou and George Em Karniadakis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.24922},
year = {2026}
}