圆柱绕流中空化状态的数值研究

本文在层流与湍流两种状态下，于一系列空化数范围内研究了圆柱绕流中的空化流动。随着来流 $\sigma$ 的减小，我们观察到非空化、周期性及过渡性空化状态。周期性状态中 Karman 涡内的空化，在过渡性状态中因“凝结前缘”传播的起始而显著改变。在转变点处，脱落 Strouhal 数出现数量级跃升，主导频率由周期性状态中的周期性涡脱落转变为过渡性状态中的不规则—规则涡脱落。此外，在转变点处观察到压力脉动峰值，以及基于空穴长度的 St 相对于 $\sigma$ 的极大值。利用动态模态分解讨论了各状态中的脱落特征。结果表明，过渡性状态中观测到的凝结前缘为超声速（称为“凝结激波”）。在存在非凝结气体（NCG）时，一个给定周期内需要多个凝结激波才能完成空穴凝结与脱离，而仅存在蒸汽时只需单个凝结激波。这可由 NCG 存在时激波前后压力比减小、从而有效削弱激波强度来解释。此外，在 $\sigma=0.85$（接近由周期性向过渡性状态转变处）时，NCG 的存在抑制了低频不规则—规则涡脱落。在 $Re=3900$ 的过渡性状态中，涡量输运表明附着空穴区域近乎二维且涡量极低，影响了近尾流区的 Karman 脱落。另外，无论层流还是湍流状态，边界层分离点均被发现强烈依赖于来流中蒸汽与气体的含量。