曲率通道中湍流流动的雷诺数效应

本文研究了曲率通道中的流动，这是一种典型的配置，能够为具有曲率边界限制的湍流问题提供启发。除了在许多工程应用中具有重要性外，它还因湍流叠加在由离心不稳定性驱动的大尺度结构而呈现出丰富的物理现象。所产生的次级运动取决于通道几何和雷诺数，打破了凸面和凹面的对称性。我们通过关注轻度和强度曲率通道两种情况来探讨曲率的影响，在后者中，剪切和惯性被认为控制流动的总体特征。对于每种几何形状，我们系统地检查雷诺数的效应：我们进行了一系列基于体积速度和通道高度的直接数值模拟，覆盖从层流到雷诺数较高值（为 87000）的流动 regime。我们的分析围绕着摩擦系数——即流动的宏观可观测量——进行，探讨了随雷诺数增大，大尺度结构如何改变其形状和在湍流中的作用。特别关注纵向大尺度结构（类似 Dean 涡旋），以及其分裂和合并动力学如何受曲率影响。此外，我们还观察并描述了强曲率通道凸壁中占据空间的横向大尺度结构，这些结构由流向不稳定性引起，并有助于湍流动能的负生产。