短旋转圆柱绕流的数值分析

本研究考察了有限长旋转圆柱周围的三维流动动力学，其轴线垂直于来流方向。在雷诺数 $Re=DU_\infty/\nu<500$（基于圆柱直径 $D$、均匀来流速度 $U_\infty$）、长径比 $AR=L/D\leq2$ 以及无量纲旋转率 $\alpha=D\Omega/2U_\infty\leq2$（其中 $\Omega$ 为旋转率）的参数范围内，进行了直接数值模拟与全局稳定性分析。通过求解Navier–Stokes方程，我们研究了尾流模式并探索了升力与阻力系数的相图。对于 $AR=1$ 的圆柱，我们发现当旋转效应较弱时（$0\leq\alpha\lesssim0.3$），尾流模式类似于非旋转有限长圆柱的非定常尾流，但存在一种新的线性不稳定模态竞争以主导尾流的饱和状态。当 $Re<360$ 时，流动在 $0.3\lesssim\alpha\lesssim0.9$ 范围内变为稳定。当旋转效应较强时（$\alpha\gtrsim0.9$），出现具有更强振荡的新型低频尾流模式。此外，基于时间平均流与定常解的稳定性分析表明了经历Hopf分岔的多个不稳定模态的存在，它们受旋转效应的极大影响。给出了这些全局特征模态的形状并进行了比较，以及它们的结构敏感性，可视化了对于扰动随旋转发展重要的流动区域。本研究有助于我们理解这一临界构型周围复杂的钝体尾流动力学。