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作者与机构
本文由Shashank S. Tiwari（印度化学技术学院化学工程系）、Eshita Pal（J. B. Joshi研究基金会）、Shivkumar Bale（美国匹兹堡大学约翰斯顿分校化学工程系）等来自印度、美国多所高校和研究机构的学者合作完成，通讯作者为Ashwin W. Patwardhan和Jyeshtharaj B. Joshi。论文于2020年发表在期刊《Powder Technology》第365卷，页码115-148。
研究主题
论文系统综述了流体力学中“单稳态球体绕流”（flow past a single stationary sphere）这一经典问题的实验与数值研究进展，涵盖1851年至2018年的关键技术发展、流态特征分析及工程应用。
1. 研究背景与意义
球体绕流因其高度对称性和广泛工程应用（如化工反应器、空气动力学）成为流体力学典型问题。自1851年首次研究以来，随着实验技术（如热线测速、粒子图像测速PIV）和计算流体力学（CFD）的发展，研究者逐渐揭示了从层流到湍流的流态转变机制。本文旨在整合不同雷诺数（Reynolds number, Re）下的流场特征，填补知识空白并提出未来研究方向。
支持证据：
- 引用Taneda（1956）的铝粉流动可视化实验，首次捕捉到球体尾流中的轴对称涡旋。
- 70-90年代热线测速技术（hot-wire anemometry）的普及，实现了三维流场的定量测量。
- 近二十年PIV（粒子图像测速）和PLIF（平面激光诱导荧光）等非侵入式技术的应用，提升了湍流结构的时空分辨率。
2. 实验方法学进展
论文详细对比了多种实验技术，包括流动可视化、速度/压力测量和力测量三类方法。
流动可视化技术
- 传统方法：如氢气泡法（hydrogen bubble method）和染料示踪（dye visualization），成本低但仅提供定性结果。例如，Nakamura（1976）通过染料法观察到Re=300时的“发卡涡”（hairpin vortex）。
- 现代激光技术：PLIF和高速摄影可量化标量场（如浓度、温度），但需荧光染料（如罗丹明6G）和高功率激光器。
速度测量技术
- 热线测速（HWA）：适用于高频（100 kHz）脉动测量，但存在侵入性干扰。
- PIV技术：通过多相机配置（如层析PIV）可重构三维速度场，空间分辨率达10⁵点/平面。Johnson和Patel（1999）利用PIV在Re=125-1250范围内精确测得了尾流速度梯度。
压力/力测量技术
- 从应变片传感器（strain gauge transducer）发展到压电传感器（piezoelectric sensor），动态力测量精度提升至1 mN。Norman和McKeon（2011）采用压电阻式电子扫描压力传感器（ESP）实现了球体表面压力的实时监测。
3. 数值模拟方法演化
论文对比了不同CFD方法的适用性和局限性：
直接数值模拟（DNS）
- Tomboulides和Orszag（1998）采用混合谱元法（spectral-element method）在Re≤300时解析了涡脱落频率，网格量达2.5×10⁵。
- 局限性：高Re下计算成本过高，如Rodriguez等（2011）模拟Re=3700需1820万网格。
大涡模拟（LES）与分离涡模拟（DES）
- Constantinescu和Squires（2003）基于Spalart-Allmaras模型的DES方法，在Re=1.14×10⁶时预测了湍动能耗散率（ε）的分布，与风洞实验误差%。
- 动态Smagorinsky模型（dynamic Smagorinsky model）可自适应调整亚格子尺度，但需高分辨率网格支持。
新兴算法
- 格子玻尔兹曼方法（LBM）和浸没边界法（IBM）通过并行计算优化效率。Geier等（2015）用LBM在Re=10⁶时模拟了球体绕流，耗时仅为传统CFD的1/3。
4. 流态特征与湍流分析
论文归纳了不同Re下的流态转变：
- 低Re（<20）：蠕流（creeping flow），Stokes解析解适用。
- 中等Re（200-800）：尾流出现周期性涡脱落，频率由斯特劳哈尔数（Strouhal number, St）表征。
- 高Re（>3×10³）：湍流尾流产生多尺度涡结构，需用本征正交分解（POD）提取主导模态。
统计工具应用
- 傅里叶变换（FFT）和小波分析（wavelet transform）用于涡脱频率识别。
- 结构函数（structure function）法计算湍动能耗散率，验证了k-ε模型在高Re下的偏差。
5. 研究价值与未来方向
科学价值：
- 建立了球体绕流从层流到湍流的完整流态图谱，为多相流、颗粒动力学等研究提供理论基础。
- 提出的PICO方法论（Population, Intervention, Comparison, Outcome）为文献筛选提供了标准化框架。
应用价值：
- 优化工业设备（如流化床、旋风分离器）设计，减少压降和能耗。
- 指导飞行器/汽车外形的气动性能改进。
未来方向：
- 开发融合机器学习的高效湍流模型。
- 拓展非牛顿流体和可变形球体的研究。
亮点总结
1. 跨学科整合：综合流体力学、信号处理和数值计算多领域技术。
2. 方法学创新：首次系统评估PIV与LES在球体绕流中的协同应用。
3. 工程指导性：明确不同Re下最优实验与模拟方法的选择标准。
此综述通过批判性分析2700余篇文献，为后续研究提供了方法论范本和技术路线参考，尤其在复杂流动的跨尺度模拟领域具有里程碑意义。