球体沿旋转流体轴平移的绕流：数值重现Maxworthy实验
流体动力学
2023-08-02 v2
摘要
我们计算了一个刚性球体在一个充满低粘度流体的大圆柱形容器中沿其轴线匀速平移所诱导的流动，该流体做刚体旋转，且球体被约束以与未受扰流体相同的速率自旋。模拟覆盖的参数范围与Maxworthy [\textit{J. Fluid Mech.}, vol. 40, pp. 453-479 (1970)] 实验探索的范围相似。我们描述了流动的显著特征，特别是在物体前后形成的Taylor柱的内部特性以及惯性波模式，并确定了作用在球体上的阻力和扭矩。发现扭矩变化在快速和慢速旋转条件下分别遵循两种显著不同的规律。通过考察控制物体附近轴向涡度分布的主导平衡，预测了相应的标度律。阻力结果与Tanzosh & Stone [\textit{J. Fluid Mech.}, vol. 275, pp. 225-256 (1994)] 为无惯性区域提出的半经验定律吻合良好。发现即使惯性效应很大，只要旋转效应也足够大，该定律仍然适用。结果表明，轴向约束的影响会急剧增加快速旋转构型中的阻力，且容器长度必须大约是球体直径的一千倍，这种影响才能变得可以忽略不计。报告的模拟证实，这种约束效应是Maxworthy结果与理论预测之间长期存在差异的根源。
引用
@article{arxiv.2302.02129,
title = {Flow past a sphere translating along the axis of a rotating fluid: Revisiting numerically Maxworthy's experiments},
author = {Tristan Aurégan and Thomas Bonometti and Jacques Magnaudet},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.02129},
year = {2023}
}
备注
39 pages, 20 figures