扩张几何形状对轴对称管流中湍流的影响

我们通过对面积比为 2.56、阶跃雷诺数为 25000 和 35000 的突扩（$90^\circ$）与渐扩（$45^\circ$）进行对比分析，研究了扩张几何形状对轴对称管流流场与湍流结构的影响。利用折射率匹配的立体粒子图像测速技术，我们解析了三分量速度场，并以高空间保真度提取了湍流统计量。两种构型均表现出完全的流动分离、回流和剪切层发展；然而，渐扩构型持续产生更高的湍流水平、更宽的剪切层、增强的雷诺应力各向异性以及更强的面外脉动。相比之下，突扩构型产生了一个二次涡，扰乱了回流，减少了剪切层相互作用和湍动能（TKE）的产生。其主导机制归因于几何形状引起的回流调制。在渐扩情况下，回流保持贴附于斜面并斜向撞击自由流，产生一个高剪切分布区和持续的湍流产生，导致在近扩张区 TKE 和各向异性增强。突扩情况则限制了这种相互作用，在空间和结构上限制了湍流的产生。这些发现调和了先前关于斜坡扩张中压力损失增加的观察，并揭示了扩张斜率在控制分离流中湍流产生和能量重新分配中的基本作用。观察到的趋势表明，存在一种可推广的机制，适用于更广泛的扩张角和流动条件。