顺流稳态水流中振荡圆柱体的流体动力学

本文在固定雷诺数 $Re = 500$ 下，针对无量纲振荡幅度（$A^* = 0.01 - 0.50$）和波长（$lambda^* = 0.4 - 25$）的广阔参数空间，对顺流稳态水流中振荡圆柱体的尾流和受力特性进行了数值研究。本研究探讨的基本问题是稳态来流引起的尾流与圆柱体振荡引起的尾流之间的相互作用，以及 $A^*$ 和 $lambda^*$ 这两个控制参数对此类相互作用的影响。虽然共线流在 $lambda^* \leq 1.5$ 时由圆柱体振荡引起的尾流主导，在 $lambda^* \geq 10$ 时由稳态水流主导，但在 $lambda^* = 1.5 - 10$ 时，它表现出圆柱体振荡和稳态水流引起的尾流之间非线性相互作用的特征，例如形成与失同步模式交替的多种同步模式。同步模式随 $lambda^*$ 和 $A^*$ 变化，在 $lambda^*-A^*$ 空间中形成一个倾斜的 Arnold 舌。每种同步模式下的涡旋脱落模式存在很大差异。基于尾流特性，研究了不同水动力系数随 $lambda^*$ 和 $A^*$ 的变化并给出了物理解释。检验了 Morison 方程在预测顺流受力波动时的适用性。我们发现 Morison 方程仅在 $lambda^* \leq 1.5$ 的较小范围内表现出合理的精度。超出此范围，由于稳态水流对尾流特性的影响，其性能下降。