湍流管道流中近壁相干结构的SPOD与预解分析

采用高阶谱元法进行的直接数值模拟，被用于研究摩擦雷诺数 $Re_{\tau} = 180$ 和 $550$ 下湍流管道流中的相干结构。利用谱 proper 正交分解（SPOD）对该数据库进行分析，以识别能量占优的相干结构，其中大多数结果为条带和准流向涡。为理解此类结构如何被建模，利用预解算子的奇异值分解、以平均流为基础流，计算了线性流动对谐波强迫的响应。针对若干频率与波数组合计算了SPOD与预解分析，从而能够在湍流管道流中广泛相关尺度上刻画SPOD模态与最优响应之间的相似性。为探究两种方法一致性的物理原因，在预解分析中引入了一个抬升机制的指示量，当最优强迫表示准流向涡且相关响应对应于条带时该指示量被激活。在参数空间的很大区域内观察到主导SPOD模态与预解模态之间的良好一致性。在该区域内，预解分析中发现了显著的增益分离，这或可归因于与抬升机制相关的强放大。对于两种雷诺数，所观察到的吻合通常出现在缓冲层中具有大能量的结构。结果凸显了预解分析作为壁面有界湍流中相干结构的一种恰当降阶模型，特别是对于对应于近壁流向涡与条带的流向拉长结构。