一、文献名称

二、原文地址

研究目的：研究串列排列双圆柱体周围流场中的次级不稳定性¹。

三、ABSTRACT

• 采用的方法:
  • 直接稳定性分析
  • 数值模拟
• 变化的参数:
  • 圆柱中心间距，范围从1.2到10个圆柱直径。

主要发现

• 流态划分:
  • 基于间距距离识别出四种不同的流动状态。
• 典型案例:
  • 选择典型案例以展示不同观察到的情景。
• 比较分析:
  • 将串列圆柱排列的结果与单个圆柱流动的结果进行了比较。

详细观察

• 尾流过渡:
  • 当间距小于阻力反转间距时，尾流过渡的早期阶段发生显著变化。
• 三维不稳定性:
  • 计算了三维不稳定性的发生点。
  • 完整描述了与这些不稳定性相关的不稳定模态。

分岔分析

• 非线性特征评估:
  • 评估了导致不稳定性的分岔的非线性方面。
• 物理机制:
  • 基于物理机制提出了对观察到的不稳定性的解释。

雷诺数依赖性

• 临界雷诺数:
  • 讨论了临界雷诺数如何随圆柱中心间距的变化而变化。

比较见解

• 单个圆柱与串列圆柱:
  • 突出了串列圆柱排列与单个圆柱流动中不稳定性行为的差异和相似之处。

意义

• 流动控制与设计:
  • 理解不稳定性有助于设计涉及串列圆柱的结构，以减轻不利的流动效应。

结论

• 总结:
  • 本研究全面表征了串列圆柱流动中的次级不稳定性，强调了间距对尾流动力学和不稳定性发生的影响。

四、IINTRODUCTION

历史研究回顾

• 早期研究:

  • 20世纪上半叶，早期科学工作主要关注串列排列中结构组件所受力的研究，如 Biermann & Herrnstein Jr (1933) 的工作。
  • 发现了临界间距（critical spacing） 或 阻力反转间距（drag inversion separation），即当中心间距连续变化时，气动力值出现不连续性。
  • 这种临界间距依赖于雷诺数（Reynolds number）。

• 实验研究:

  • Thomas & Kraus (1964) 在相同雷诺数（Re = 62）下测试不同中心间距，观察到涡在尾流中的行为随间距变化。
  • Zdravkovich (1972) 扩展研究，改变雷诺数和中心间距，发现当间距小于阻力反转间距时，尾流转向湍流的雷诺数较高。

• 流动状态分类:

  • Zdravkovich (1977)、Igarashi (1981) 和 Zdravkovich (1987) 等人根据雷诺数和中心间距对不同流动状态进行分类。
  • 每种流动状态与特定的尾流配置和气动力行为相关联，所有研究均确认了气动力不连续性与尾流中涡配置显著变化的存在。

计算研究

• 数值模拟方法:
  • 早期计算研究旨在通过数值模拟重现实验中观察到的流动状态，采用了离散涡方法（Discrete Vortex Method）和有限元方法（Finite Element Method）。
  • 这些研究定性地再现了流动状态，显示阻力反转间距依赖于雷诺数，但在 Re > 200 时，二维模拟无法定量匹配实验结果，因实际流动中存在三维结构。（这点非常重要！！！）

近期研究进展

• 稳定性理论应用:

  • Mizushima & Suehiro (2005) 使用数值模拟和稳定性分析研究串列圆柱周围的稳态流动稳定性和转变，发现第二个圆柱的存在稳定了流动，转变到周期流动的雷诺数更高。
  • 发现多重稳定解导致拖曳系数和斯特劳哈尔数的突然变化，表现出滞后现象及不同类型的分岔（鞍节点分岔或亚临界分岔），与单个圆柱的Hopf分岔不同。

• 三维直接数值模拟:

  • Deng et al. (2006)、Carmo & Meneghini (2006) 和 Papaioannou et al. (2006) 等人进行了三维直接数值模拟，研究三维结构对流动状态的影响。
  • 发现三维结构显著影响拖曳反转间距，且对不同间距的影响各异，如在接近阻力反转间距时，二维与三维结果存在显著差异。

研究空白与目的

• 研究空白:

  • 现有研究表明三维结构显著影响串列圆柱流动状态，但尚未完全表征串列圆柱尾流中三维不稳定性的模态、机制及其发生点。

• 研究目的:

  • 本研究旨在利用渐近稳定性理论和直接数值模拟，研究不同几何配置下尾流转变的早期阶段，这些配置根据观察到的二维流动状态选择。

论文结构

• 章节安排:
  • 第2节: 介绍本研究使用的数值工具。
  • 第3节: 概述关于单个圆柱流动的已发表结果，作为串列排列新数据的基准。
  • 第4节: 详细说明所进行的计算。
  • 第5节: 展示和分析结果。
  • 第6节: 进一步讨论中心间距、次级不稳定性及相关物理机制之间的关系。
  • 第7节: 总结主要发现并就其意义提出结论。

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1. Carmo B S, Meneghini J R, Sherwin S J. Secondary instabilities in the flow around two circular cylinders in tandem[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2010, 644: 395-431. ↩︎