中等雷诺数下展向旋转湍流槽道流的统计特性与结构

本文通过直接数值模拟，研究了受展向系统旋转影响的充分发展平面湍流槽道流。为了研究雷诺数和展向旋转对槽道流的影响，雷诺数 $Re = U_b h/\nu$ 从较低的 3000 变化到中等的 $31\,600$，旋转数 $Ro = 2 \Omega h/U_b$ 从 0 变化到 2.7，其中 $U_b$ 为平均体速度，$h$ 为槽道半间距，$\Omega$ 为系统旋转速率。平均流向速度剖面在较高 $Re$ 下仍显示出特征线性部分，其斜率接近 $2 \Omega$，并且在湍动能产生率和耗散率的剖面中也出现了相应的线性部分。随着 $Ro$ 的增加，槽道内形成了一个具有较大展向和法向雷诺应力的明显不稳定侧，以及一个湍流弱得多的稳定侧。流动开始在槽道的稳定侧发生再层流化，并且在较高 $Re$ 下出现持久的湍流 - 层流斑图。如果进一步增加 $Ro$，稳定侧的流动变得类似层流，而在更高的 $Ro$ 下，整个流动发生再层流化，尽管平静期可能会被重复的湍流爆发所打断，正如 Brethouwer (2016) 所解释的那样。雷诺数的影响相当显著，特别是在槽道的稳定侧，那里的速度脉动更强，且在较高 $Re$ 下再层流化进程较慢。可视化和统计结果表明，在 $Ro=0.15$ 和 0.45 时，不稳定侧会发展出大尺度结构和大尺度反向旋转的流向涡卷胞。当 $Ro$ 升高时，尤其是较高 $Re$ 下，这些结构变得不那么明显并最终消失。在高 $Ro$ 下，较低 $Re$ 时的最大能量结构更大。