基于多尺度涡动力学的方柱展向周期性扰动减阻机理研究

Flow control for bluff body with spanwise periodic perturbation is a high efficiency 3D forcing method, the existed research suggests that the maximum drag reduction can be obtained when the perturbation length equals to the wavelength of secondary wake instability. Identifying the unstable wavelength is much more difficult at high Reynolds numbers, to solve this problem, square cylinder is adopted as fundamental object in this application, and the wake flow of square cylinder will be measured by PIV technique. Two-dimensional orthogonal wavelet analysis will be employed to extract secondary vortices in spatial domain from multi-scale point of view, then a quantitative analyzing method involving vortex identification, time-spatial and statistical analyses will be proposed to get optimum wavelength of wavy square cylinder. Based on the experimental results, a spanwise sinusoidal perturbation will be introduced to the front edge of square cylinder, and the drag reduction mechanism of it will be analyzed by using PIV and numerical simulation. The research on wavy square cylinder mainly focuses on the interaction mechanism of coherent structures. Some data processing approaches such as multi-dimensional wavelet，DMD and POD analyses will be employed to extract multi-scale vortical structures in time and spatial domain. By analyzing multi-scale evolution processes of vortical structures and their corresponding quantitative statistical characteristics, a further understanding of drag reduction mechanism under spanwise periodic perturbation will be obtained.

对钝体施加展向周期性扰动是一种高效的三维激励流场控制方法，现有研究表明当展向扰动波长等于尾流二次不稳定性波长时，这种方法能够达到最佳减阻效果。针对较高雷诺数下二次不稳定性结构难以识别的问题，本申请以方柱为基础研究对象，通过粒子图像测速法获取其尾流流场，从空间多尺度的视角研究尾流中可能出现的不同模式二次涡结构，提出尾流二次涡识别的多尺度解析方法，揭示尾流二次不稳定性波长随雷诺数变化的规律。在此基础上从方柱前端面引入展向波浪型几何扰动，采用实验和数值计算结合的方法研究其减阻机理。研究主要围绕尾流中漩涡结构间的相互作用机制展开，综合应用多维正交小波分解、动态模态分解和本征正交分解等多种数据处理技术，分别从时间、空间和模态分布三个角度抽取尾流中的漩涡结构，分析流场中不同尺度漩涡结构的演化过程和定量化统计特征，增进对展向周期性扰动减阻机理的认识。

对于钝体而言，其尾流的不稳定性容易受到外部激励的影响，可通过这种敏感性实现对流场的控制。以触发尾流二次不稳定性结构为切入点，项目以方形钝体为基础研究对象，采取实验和数值计算相结合的方法，研究了展向周期性扰动流场减阻方法中存在的基础问题。主要内容包括：较高雷诺数条件下尾流二次涡结构识别以及施加扰动前后方形钝体流场中漩涡结构的形成、发展和相互作用机制。项目的主要成果主要体现在以下几个方面：1) 提出了一种基于空间多尺度的流场结构分析方法，实现尾流中非稳态二次涡结构的准确识别；2) 从时间和空间多尺度的观点揭示了钝体施加扰动前后漩涡形成和相互作用机制；3) 构建了了基于连续小波的流场多尺度相位平均方法，为获取更详细的流场信息提供新的研究手段；4) 证实了低雷诺数下发现的二次不稳定波长能够作为展向周期性扰动参数并在较高雷诺数下取得了良好的减阻减振效果，以方柱为例，在周期性扰动作用下，其阻力系数和升力脉动分别降低了29%和 98%。.项目的实施为获取展向周期性扰动波长参数提供一种新的量化的分析手段，拓展和深化对展向周期性扰动减阻机理的认识。项目提出的流场分析方法和流动控制思想可进一步推广至交通运输、能源动力等领域，为高性能减阻节能装置的设计开发和工程化应用提供理论支撑。