钝体尾流中的大尺度条带结构

我们考察了雷诺数 $\textit{Re} = U_\infty D/\nu = 5 \times 10^{4}$ 下的湍流圆盘尾流数据库（Chongsiripinyo & Sarkar, \textit{J. Fluid Mech.}, vol. 885, 2020），以识别大尺度条带——即流向速度的相干细长区域——的存在。该模拟前所未有的流向长度（直至 $x/D \approx 120$）使得近尾流与远尾流的研究成为可能。近尾流由位于方位角波数 $m=1$、斯特劳哈尔数 $\textit{St} = 0.135$ 的涡脱落（VS）模态主导。在滤除 VS 结构后，尾流中存在频率 $\textit{St} \rightarrow 0$（等价于流向波数 $k_x \rightarrow 0$）的大尺度条带的确凿证据在可视化与谱中变得明显。这些条带结构在 $x/D \approx 10$ 以外的整个模拟域内均存在。条件平均的流向涡量场揭示，抬升机制在近尾流与远尾流中均活跃，且喷射比扫掠对强 $-u'_xu'_r$ 事件贡献更大。采用谱 proper 正交分解（SPOD）提取大尺度条带的能量与时空特征。条带能量在整个域内集中于 $m=2$ 方位角模态。最后，进行双谱模态分解（BMD）以揭示 $m=1$ 与 $\textit{St} = \pm 0.135$ 模态之间的强相互作用产生 $m=2, \textit{St} = 0$ 条带模态。我们的结果表明，VS 模态的自相互作用生成了 $m=2, \textit{St} = 0$ 流向涡，并通过抬升过程导致条带形成。据作者所知，这是首项报道并刻画湍流尾流中大尺度低频条带及相关抬升机制的研究。