J. Fluid Mech. (2020), vol. 884, a41 这篇文章由 Antonio Posa 和 Elias Balaras 合作完成，研究机构分别是意大利国家研究委员会的 CNR-INM（国家海洋工程研究所）和乔治华盛顿大学的机械与航空航天工程系。文章发表于 Cambridge University Press 于 2019 年出版的《Journal of Fluid Mechanics》（《流体力学杂志》）上，文章 DOI 为 10.1017/jfm.2019.961。

学术背景与研究目的

该研究主要关注领域是湍流边界层和尾流特性，以及大涡模拟（Large-Eddy Simulation, LES）技术在复杂流动问题中的应用。研究中使用的主要几何模型为 DARPA SUBOFF 几何体，这是一种广泛应用于水下航行体流体动力学研究的基准模型。此前，多项研究已经通过实验和数值方法探讨了 SUBOFF 几何体的边界层特性、湍流分布及其尾流相关现象。然而，已有实验和计算研究主要集中在较低雷诺数（Reynolds number, Re）下的几何体流动，而较高雷诺数下的流动特性仍不明确。此外，此前的研究主要关注无附体几何构型，关于附体（例如用于模拟潜艇翼鳍、舵等结构）的相关研究较少。因此，该研究旨在通过高雷诺数条件下的壁面分辨大涡模拟，系统性研究附体轴对称体的湍流尾流特性，以及雷诺数对附体轴对称体尾部湍流特性的影响。

研究方法与技术路线

研究中采用了 LES 方法对雷诺数为 12×10⁶ 和 1.2×10⁶ 的两种条件下的湍流流动进行模拟，并基于这些结果探讨雷诺数对轴对称体尾部边界层和尾流结构的影响。几何体为 DARPA SUBOFF 附体模型，包括主轴对称体、顶部鳍和尾部四片翼鳍。研究通过以下步骤进行：

1. 数值方法与网格设置
   LES 模拟采用基于不可压缩流体的滤波 Navier-Stokes 方程，其亚网格应力（Subgrid-Scale Stress, SGS）利用 Nicoud 和 Ducros 提出的 WALE 模型（Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity）进行建模。该模拟综合使用沉浸边界（Immersed Boundary, IB）方法施加非滑移壁面边界条件，同时在前部利用数值触发装置诱导边界层转捩。网格在圆柱坐标系下生成，总节点数达到 81 亿，适配高雷诺数条件的壁面分辨分析需求。其中圆柱体主部采用壁面建模，尾部则采用壁面分辨。

2. 模拟设计与采样
   模拟流程中，以流体力学参照实验为基础，通过对流入口条件和模型表面边界的详细设定进行验证性模拟，确保湍流流动展现预期行为。数值网格的分辨率设计确保尾部边界层的细致捕捉，而尾流分布的统计数据采样了两次流体通过时间，实现统计量的收敛。

3. 数据分析与验证
   此研究重点对比两种雷诺数条件下的壁面摩擦系数 (cf)、压力系数 (cp) 以及边界层厚度的分布，同时分析尾部湍流的能量分布以及二阶统计量，验证数值结果与实验数据是否一致。

主要研究结果

研究通过壁面分辨 LES 提取了高雷诺数条件下轴对称体尾部复杂湍流结构，并获得了以下主要发现：

1. 边界层增长与压力梯度对比
   在船尾区域，两种雷诺数下的边界层厚度均显著增加，这是由于流动在该区域受到较强的不利压力梯度影响。而在尾部边界层内，雷诺数较高的流动显示出较小的湍流动能峰值，这表明内层湍流在高雷诺数下的生成被弱化。此外，雷诺数较高的情况下，边界层厚度减少了约25%。

2. 雷诺数对湍流动能分布的影响
   在尾部几何逐步收缩的区域，外层湍流场对流动方向的动量传递贡献显著减少，但由于附体流动的涡结构增强，尾流中双峰分布的湍流应力部分得以保持。研究发现，雷诺数越高，附体尾部形成的交汇涡旋对内层湍流的增强效果更为明显。

3. 交汇涡旋的作用
   附体的连接部位（如翼鳍根部）形成的交汇涡旋结构显著增强了下游区域湍流。研究表明，较高雷诺数强化了这些涡旋的旋转强度（circulation），并将更多的高动量流体带入内边界层，平衡了低动量区域的流动特性。

4. 尾流特性与轴对称性影响
   相较于无附体的模型，带附体的流动在尾流中表现出更复杂的湍流分布。涡旋特征更显著的高雷诺数条件下，这些尾涡进一步影响了尾流中的径向和切向动量分布，导致尾流中的湍流性向更加轴对称化。

5. 定量结果验证
   压力系数、壁面摩擦系数以及速度分布的数值结果在轴对称模型的中部与文献实验数据取得较好的一致，进一步证明该数值方法的可靠性。

研究意义与潜在价值

本研究为分析高雷诺数条件下的附体轴对称体流动结构提供了重要的新数据，并揭示了湍流生成机制与雷诺数之间的复杂关系。具体意义包括：

1. 科学价值
   细致的湍流分布统计与交汇涡旋动力学分析，有助于改善湍流建模的精确度，特别为湍流分布复杂的船尾设计提供了重要参考。

2. 应用价值
   本研究的结果可以直接用于优化潜艇、海洋设备以及与尾涡湍流相关的工程设计，对湍流抑制及尾流减阻技术具有指导意义。

3. 技术创新
   该研究展示了在高雷诺数条件下应用壁面建模与壁面分辨联合 LES 的方法学进展，并采用了智能化网格控制策略来平衡计算成本与结果分辨率，为后续大规模复杂湍流问题的研究提供技术支持。

结论与研究亮点

这项研究为高雷诺数条件下附体轴对称体的湍流特性研究提供了全新的参数化数据和详细的物理理解：湍流边界层的行为依然高度依赖于几何边界条件和压力分布，而交汇涡旋的耦合作用贯穿流场的多个层次。此外，研究展现了湍流峰值位置在高雷诺数下向外移位的特性和自相似性趋向。通过深度观察尾部复杂流动性质，这项研究强调了附体设计对湍流流动的交互影响，从而丰富了流体力学和计算湍流研究的理论和实践基础。