利用地形驱动的朗缪尔环流在管流中设计涡旋

我们给出管流中生成纵向涡旋机制的直接数值模拟，并与简单模型理论比较。通过在管壁布置交叉波图案，可产生以展向涡对形式的二次流。该机制“CL1”是运动学性的，在海洋学中作为朗缪尔环流的驱动者而为人所知。当“壁波”矢量与轴向成锐角 $\varphi=10^\circ$ - $20^\circ$（“收缩蛋托”形）时 CL1 最强，在 $45^\circ$ 附近变号，超过该角度时微弱且反向。还观察到一种竞争性的动力学机制，由方位角变化的摩擦产生、驱动反向二次流。在较小角度时“CL1”占优，而当 $\varphi\gtrsim 45^\circ$ 时动力学效应主导并使流动反向。有趣的是，对于收缩情形，环流强度随雷诺数呈快于线性的增长。我们探讨了其与普朗特湍流中第二类二次运动的类比。推导了平均流向涡量的输运方程，并针对三种不同交叉角 $\varphi=18.6^\circ, 45^\circ$ 和 $60^\circ$ 进行分析。平均涡量产生组织为环状结构，两环对旋转流的贡献方向相反。对较大 $\varphi$，内环决定主旋流，而对 $\varphi=18.6^\circ$ 外环产生占优。较大角度时外环主要由涡量平流驱动、内环由形变（拉伸）驱动，而对 $\varphi=18.6^\circ$ 两者对外环产生的贡献大致相等。