稳定大尺度运动以增强横向旋转平面泊肃叶流中的被动标量传输

《Journal of Fluid Mechanics》：Stabilising large-scale motions to enhance passive scalar transport in spanwise rotating plane Poiseuille flows

　　

摘要

张等人（2024年，《流体力学杂志》，第979卷，A43期）的一项最新研究提出了一种有效的控制策略，即在压力（不稳定）壁上设置沿流向均匀分布的横向注射/吸入口槽，以增强横向旋转平面Poiseuille流动（RPPFs）中的被动标量传输。在这项工作中，我们采用直接数值模拟进一步研究了在不同槽配置下标量传输增强率（$\textit{STI}$）的变化情况。研究了两种不同的配置：一种是宽度均匀的槽，其中注射槽和吸入口槽的尺寸相同；另一种是宽度不均匀的槽，它们的宽度各不相同。前者用于研究槽宽度的效应，后者则用于区分注射和吸入口的作用。在槽宽度变化的情况下，壁面法向速度的均方根值保持在一个固定的最小值。对于均匀配置，$\textit{STI}$ 随槽宽度的增加而单调增加，当宽度从 $\pi /8$ 增加到 $\pi /2$ 时，几乎翻了一番。相比之下，非均匀配置下的 $\textit{STI}$ 对槽尺寸的依赖性较为复杂且不单调。谱分析、象限分析和纬向条件象限分析表明，注射和吸入口槽在调节近壁流动中起着不同的作用：注射槽增强了喷射事件（$Q2$），促进了局部羽流的脱离，并有利于形成大尺度上升羽流；而吸入口槽则增强了扫掠事件（$Q4$），抑制了羽流的脱离，同时增强了下降流。这种双重机制使湍流结构变得更加稳定，从而提高了标量传输效率。基于聚类分析的 $\textit{STI}$ 分解证实，这种增强主要源于主导簇的出现频率增加和传输能力的提高。这些发现表明，通过选择性控制槽口可以实现流动稳定，从而有效增强RPPFs中的被动标量传输。

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