基于半隐式移动浸入边界法的旋流 von Karman 流动直接数值模拟
流体动力学
2022-02-17 v2
摘要
我们提出一种新颖的移动浸入边界法（IBM），并将其用于层流与湍流状态下封闭容器内旋流 von Karman 流动的直接数值模拟（DNS）。该 IBM 通过利用一种时间积分格式，将浸入边界强迫步嵌入半隐式迭代 Crank-Nicolson 格式中，从而扩展了直接强迫方法。整体方法鲁棒、稳定，并在具有静态与移动边界的规范算例中给出了优异结果。该移动 IBM 使我们能够在笛卡尔网格上复现（F. Ravelet, A. Chiffaudel, and F. Daviaud, JFM 601, 339 (2008)）中旋流 von Karman 流动实验的几何与参数。在这些 DNS 中，流动由两台装有弯曲惯性搅拌器的反向旋转叶轮驱动。我们通过提高反向旋转叶轮的转速来达到雷诺数 90、360、2000 和 4000，从而分析从层流到湍流的转捩。在雷诺数 90 和 360 的层流状态中，我们观察到与实验报道相似的特征，特别是在雷诺数 360 时出现对称性破缺不稳定性。我们在雷诺数 2000 时观察到转捩湍流。在雷诺数 4000 时达到充分发展的湍流。由模拟计算得到的无量纲扭矩与实验数据的相关关系吻合。随雷诺数增大而丧失的低雷诺数对称性，在充分发展湍流状态的平均流中得以恢复，我们观察到关于中高平面对称的两个环面。我们注意到，即使在最高雷诺数 4000 下，装置中心区域的湍流脉动仍保持各向异性，这表明各向同性化需要显著更高的雷诺数。
引用
@article{arxiv.2011.04758,
title = {Direct Numerical Simulations of the Swirling von Karman Flow Using a Semi-implicit Moving Immersed Boundary Method},
author = {M. Houssem Kasbaoui and Tejas Kulkarni and Fabrizio Bisetti},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.04758},
year = {2022}
}