湍流分离气泡低频呼吸中的驻波动力学
流体动力学
2026-01-19 v3
摘要
本研究调查了后向台阶上湍流分离气泡 (TSB) 的低频动力学，重点关注与所谓“呼吸运动”相关的大尺度相干结构。使用流向和展向平面的时间分辨粒子图像测速 (PIV)，我们检查了侧壁约束的作用。流向速度场的谱本征正交分解 (SPOD) 揭示了在低 Strouhal 数 () 下的主导低秩模式，这与先前对 TSB 呼吸的观察一致。引人注目的是，展向 PIV 数据发现了一种此前未报道的驻波模式，其特征是离散的展向波数和节点/腹点结构，表明存在展向共振。为了解释这些观察结果，我们构建了一个基于预解的模型，该模型通过叠加左行和右行三维模式在侧壁位置施加自由滑移条件。该模型准确地再现了测量到的 SPOD 模式，证明侧壁反射导致了类驻波模式的形成。为了进一步深入了解低频动力学的驱动机制，进行了全局稳定性分析，揭示了一个零频特征模式，其增长率取决于展向波数。该特征模式源于离心不稳定性。在下游，相关的相干结构通过非模态 lift-up 机制被进一步放大。我们的发现突出了展向边界条件对 TSB 中低频模式选择和结构的关键影响。这对实验和数值研究都有直接影响，特别是那些依赖展向周期性边界条件的研究，并为预测分离流中侧壁诱导的模态动力学提供了一个低阶框架。
引用
@article{arxiv.2505.24723,
title = {Standing-Wave Dynamics in Low-Frequency Breathing of a Turbulent Separation Bubble},
author = {Lukas M. Fuchs and Ben Steinfurth and Jakob G. R. von Saldern and Julien Weiss and Kilian Oberleithner},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.24723},
year = {2026}
}