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物理学 > 流体动力学

arXiv:2505.01599 (physics)
[提交于 2025年5月2日 ]

标题: 椭球体在中等攻角下的分层尾流

标题: Stratified wakes of a prolate spheroid at moderate angle of attack

Authors:Sheel Nidhan, Sanidhya Jain, Jose L. Ortiz-Tarin, Sutanu Sarkar
摘要: 水下潜航器和空中飞行器经常遇到密度分层的环境,其对流动特征的影响值得关注。 一个直径为$D$且速度为$U$的 6:1 长轴椭球体以中等攻角(AOG)$10^\circ$被视为潜航器的经典例子。 在$Re = UD/\nu = 5000$处通过参数化的大涡模拟研究了椭球体尾流中的浮力效应,在此研究中分层被改变以涵盖身体弗劳德数($Fr = U/ND$)的广泛值范围。 弗劳德数衡量的是浮力时间尺度(1/$N$,其中$N$是浮力频率)与流动时间尺度($D/U$)之间的相对关系。 模拟的案例范围从无分层的基本情况(即$Fr = \infty$)到显著分层的情况($Fr = 1$)。 即使在相对较弱的分层条件($Fr = 6$)下,尾流的非常近区域(刚过后缘两个直径的位置)也会发生显著改变。 具体来说,从物体脱落的流线涡对的相干性减弱,尾流中心向下的轨迹受到抑制,并且近尾流中的平均/湍流结构发生变化。 通过对涡度输运方程的诊断发现,在$Fr = 6$的非常近尾流中,斜压转矩成为平均流向涡度平衡的重要贡献者。 随着分层程度的增加,尾流拓扑结构发生了显著变化,例如... $Fr =1$情况在主尾流上方显示出次生尾流。
摘要: Ocean submersibles and aerial vehicles often encounter a density-stratified environment whose effect on flow features is of interest. A 6:1 prolate spheroid of diameter $D$ with velocity $U$ and at a moderate angle of attack (AOA) of $10^\circ$ is taken as a canonical example of a submersible. Buoyancy effects are examined in a parametric LES study of the spheroid wake at $Re = UD/\nu = 5000$ where stratification is changed to cover a wide range of values of body Froude number ($Fr = U/ND$). The Froude number measures buoyancy time scale (1/$N$ where $N$ is the buoyancy frequency) relative to flow time scale ($D/U$). The simulated cases range from a baseline case without stratification, i.e. $Fr = \infty$, to the substantial stratification level of $Fr = 1$. The very near wake, just two body diameters aft of the trailing edge, is found to be substantially altered at even the relatively weak stratification of $Fr = 6$. Specifically, the coherence of the streamwise vortex pair shed from the body is weakened, the downward trajectory of the wake center is suppressed, and the mean/turbulence structure changes in the near wake. Diagnosis of the vorticity transport equation reveals that the baroclinic torque becomes an important contributor to the balance of mean streamwise vorticity in the very near wake at $Fr = 6$. With increasing stratification, the wake topology changes significantly, e.g. the $Fr =1$ case exhibits a secondary wake above the primary wake.
评论: 6页,6幅图
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2505.01599 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2505.01599v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.01599
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: 13th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP13), Montreal, Canada 2024

提交历史

来自: Sanidhya Jain [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 5 月 2 日 21:48:13 UTC (34,353 KB)
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