[论文解读] Numerical Simulation of Wakes in a Weakly Stratified Fluid

James W. Rottman, Douglas G. Dommermuth+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 10被引用 4

一句话总结

本研究采用大涡模拟（LES）方法，研究雷诺数为10⁵的自推进潜艇尾流在弱层结和非层结流体中的演化过程。结果表明，由于内波辐射和湍流能量再分配，相干的薄饼状涡旋在尾流后期自发形成；层结抑制了湍流衰减，并增强了涡旋环流区的能量集中。

ABSTRACT

This paper describes some preliminary numerical studies using large eddy simulation of full-scale submarine wakes. Submarine wakes are a combination of the wake generated by a smooth slender body and a number of superimposed vortex pairs generated by various control surfaces and other body appendages. For this preliminary study, we attempt to gain some insight into the behavior of full-scale submarine wakes by computing separately the evolution the self-propelled wake of a slender body and the motion of a single vortex pair in both a non-stratified and a stratified environment. An important aspect of the simulations is the use of an iterative procedure to relax the initial turbulence field so that turbulent production and dissipation are in balance.

研究动机与目标

• 采用大涡模拟（LES）方法，模拟非层结和稳定层结流体中自推进细长体的尾流后期流动。
• 理解在无初始相干结构条件下，相干薄饼状涡旋如何自发形成。
• 研究层结和湍流如何影响涡对演化及尾流持续时间。
• 开发一种亚格子尺度湍流模型，以捕捉涡心环流区的夹带与脱带过程。
• 通过迭代松弛过程，建立湍流生产与耗散平衡的初始湍流场。

提出的方法

• 采用大涡模拟（LES）方法，解析大尺度流动特征，同时对小尺度湍流进行建模。
• 采用松弛过程，在模拟开始前使初始流场中的湍流生成与耗散达到平衡。
• 初始流场采用平均自推进尾流（含旋涡）与叠加的均匀湍流场。
• 在雷诺数为10⁵的条件下，模拟了非层结（Fr = ∞）和弱层结（Fr = 4）两种情况。
• 对弱层结不可压缩流体采用Boussinesq近似，并使用归一化长度与速度尺度。
• 追踪湍流动能、涡量及内波生成情况，以分析能量传递与涡旋动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无初始相干结构的条件下，自推进尾流中能否自发形成相干薄饼状涡旋？
• RQ2 层结如何影响尾流中湍流动能的衰减速率与能量分布？
• RQ3 内波辐射在降低湍流生成并延长尾流持续时间方面起什么作用？
• RQ4 背景湍流如何影响层结与非层结环境中反向旋转涡对的上升速率？
• RQ5 涡对环流区中湍流动能的分布如何随时间演化？

主要发现

• 即使初始湍流为随机相位，薄饼状涡旋仍可在尾流后期自发形成，表明其由平均旋涡与湍流共同驱动而自组织形成。
• 在非层结情况下，湍流动能持续衰减，能量始终集中于涡心区域。
• 在层结情况下（Fr = 4），尾流后期环流区的湍流动能增加，表明能量从平均流向湍流转移。
• 层结情况下动能振荡频率与浮力频率一致，证实了内波的生成。
• 层结降低了湍流生成与耗散，使尾流持续时间长于阻力尾流。
• 在湍流与层结环境中，涡对的上升速率均降低，其中层结通过能量向势能转化及波生成进一步抑制上升。