在密度分层流体流动中，顺流向振荡圆柱体后发生的对称性破缺

本文通过二维数值模拟研究了稳定分层流体中横向振荡圆柱的尾流动力学，采用Floquet稳定性和动态模态分解方法，揭示了振荡幅度和分层强度对尾流结构及对称性破兆的影响，发现分层流体中涡脱落模式随分层强度变化呈现规律性转变，确定了关键临界振幅，为相关工程应用提供理论依据。

　　

摘要

本文利用二维数值模拟（Floquet稳定性分析和动态模态分解）研究了在稳定（密度）分层流体中沿流向振动的圆柱体的尾流动力学。在固定的雷诺数（Re=175）和强迫频率比（fd/fSt=1.6）条件下，研究了振动幅度（0.1 ≤ Ad ≤ 0.6）以及分层强度（1 ≤ Fr ≤ ∞）对尾流结构及其对称性破坏的影响。在非分层（均匀）流体中（Fr = ∞），尾流从低振幅时的非对称涡街状态转变为高振幅时的对称状态。这种转变通过Neimark–Sacker分叉实现，Floquet分析确定了临界振幅Ad为0.455。在分层流体中，浮力作用提高了对称性并抑制了涡脱落（当Ad=0时）。当Fr=1时，对称性破坏首先在Ad=0.246的阈值处发生，伴随周期加倍分叉和次谐波反对称涡脱落现象，并且仅在一个有限的振幅范围内（0.246 < Ad < 0.560）持续存在；超过该范围后，尾流重新恢复为对称模式。在固定小振幅（Ad=0.1）条件下，另一个临界转变发生在Fr=1.52时，其特征是通过近共振Neimark–Sacker分叉产生的准周期反对称涡脱落。分层还影响力的产生：适度的分层（Fr≈2）通过增强压力恢复和抑制尾流不对称性来减小阻力。这些结果强调了分层在促进或延迟对称性破坏不稳定性以及改变尾流动力学方面的双重作用，为涉及分层环境中振荡体的地球物理和工程应用中的浮力调节流动控制策略提供了见解。

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