强分层流体中球体沉降引起的尾流不稳定性

物体在强分层流体的等密度面附近运动时，其尾流以强烈的射流为特征，在某些条件下该射流可能失稳。为深入了解该不稳定性的现象学及其潜在机制，我们对刚性球体在线性分层流体中稳定沉降所引发的流动进行了全分辨率三维非定常模拟，覆盖了广泛的流动参数范围，包括盐水分层的情形。结果揭示了丰富的动力学行为，表现为不同的尾流对称性、涡旋结构和横向力特征。模拟证据表明存在由不同物理机制产生的波浪形和正弦形不稳定性模式。通过多种指标，我们构建了以问题的三个控制参数——Froude 数、Reynolds 数和 Prandtl 数——为函数的各不稳定性区域的相图。我们证明不稳定性机制源于射流内斜压涡度生成、涡旋倾斜和平均密度梯度径向输运之间的微妙相互作用。