弯管流动中旋涡切换的三维结构
流体动力学
2018-02-14 v1
摘要
旋涡切换是一种低频振荡现象，影响弯管中的Dean涡，并可能导致管道系统疲劳。尽管已有三十年的研究，导致这些振荡的机制及其特征频率仍不清楚。本文我们展示了一种三维波状结构是主导Dean涡低频切换的原因。本研究通过直接数值模拟进行，聚焦于前后连接直管段的90°弯管内的湍流。研究了一个曲率为0.3（定义为管道半径与弯管半径之比）的管道，整体雷诺数Re = 11700，对应摩擦雷诺数Re_τ ≈ 360。在入口段生成合成湍流，用以替代经典的循环回收方法，以避免回收频率与旋涡切换频率之间的干扰。通过三维本征正交分解（POD）对流场进行分析，首次识别出旋涡切换的来源：一种起源于弯管内部的波状结构。与一些先前的研究相反，上游管道中的流动并未对旋涡切换模态显示出任何直接影响。我们的分析进一步表明，模态的三维表征对于理解该机制至关重要，而基于二维POD模态的重建是不完整的。
引用
@article{arxiv.1710.08357,
title = {The three-dimensional structure of swirl-switching in bent pipe flow},
author = {Lorenz Hufnagel and Jacopo Canton and Ramis Oerlue and Oana Marin and Elia Merzari and Philipp Schlatter},
journal= {arXiv preprint arXiv:1710.08357},
year = {2018}
}