非对称尾流相互作用：多孔盘尾流中诱导周期性的实验与稳定性分析

《Journal of Fluid Mechanics》：Induced periodicity in wakes

本研究针对现实中不同属性尾流（如周期性涡脱与非脱体尾流）相互作用机制不清的问题，通过热丝测量技术开展多孔盘与固体盘侧向并列尾流实验，发现非脱体多孔盘尾流可被邻近固体盘的涡脱频率诱导产生周期性振荡，线性稳定性分析揭示其高敏感性特征，为城市风环境及风电场尾流干涉控制提供新机理。

　　

在流体力学研究中，尾流作为物体在流场中运动时后方形成的速度亏损区域，一直是学者们关注的焦点。从圆柱绕流产生的卡门涡街，到风力发电机叶片后方复杂的湍流结构，尾流动力学直接影响着建筑风荷载、桥梁振动稳定性以及风电场的发电效率等重大工程问题。传统研究多集中于同类物体产生的对称尾流相互作用，例如并排双圆柱的涡脱同步现象。然而在真实场景中——如城市建筑群间不同高度楼宇的尾流交织、风电场上游与下游涡轮机尾流的混合——我们面临的往往是具有截然不同特性的尾流相互作用。这类非对称尾流相互作用机制尚不明确，特别是当一方尾流存在强烈周期性（如涡脱频率），而另一方为无周期特征的“死”尾流时，其相互作用会产生何种物理现象？这成为困扰研究人员的关键科学问题。

为解决这一问题，挪威科技大学与瑞典皇家理工学院的Ingrid Neunaber等人在《Journal of Fluid Mechanics》发表了最新研究。他们创新性地将不产生涡脱的多孔盘（记为M盘）与三种不同直径的固体盘（S20、S17、S10盘）进行侧向并列布置，通过高精度热丝测速技术系统分析了不同组合下尾流的相互作用规律。研究发现，原本无周期特征的多孔盘尾流竟能被邻近固体盘的涡脱频率“激活”，在频谱上出现显著的峰值，且该峰值强度甚至超过固体盘自身的涡脱信号。这一发现打破了人们对尾流相互作用的传统认知，揭示了非对称尾流系统中能量传递的新机制。

研究团队采用的核心技术方法主要包括：1）大型风洞实验平台（11.1 m×1.8 m×2.71 m）控制零压力梯度流场；2）单分量热丝测速技术（采样频率75 047 Hz）获取高精度流速数据；3）改进的涡粘性 wake 模型（公式3.1）拟合平均速度剖面；4）切比雪夫谱配点法求解Rayleigh方程进行线性稳定性分析。实验测量了8倍盘径下游的径向速度剖面，并通过功率谱分析识别涡脱特征频率。

个体尾流特性表征

通过测量单盘下游8D_i处的流速剖面，研究发现三种固体盘的尾流速度亏损与湍流强度剖面高度重合，而多孔盘尾流则表现出更薄的速度亏损层（半宽仅0.48D）和更高的湍流强度。功率谱分析证实固体盘在剪切层处存在明显的涡脱峰值（St≈0.15），而多孔盘频谱无显著峰值，符合其非脱体尾流特性。

尾流相互作用的现象学观察

并排布置时，所有组合均显示两尾流发生明显相互作用。中心线处湍流强度显著高于来流值（u'/U|y/D=0>0.3%）。多孔盘下游始终维持更大的速度亏损和湍流强度，且固体盘直径越大，其尾流发展程度越低（测量位置相对更近）。

频谱特征的时空演化

预乘频谱图清晰显示：固体盘尾流区存在其固有涡脱频率峰值，而多孔盘尾流两侧均出现与相邻固体盘相同的频谱峰值。特别值得注意的是，该峰值在多孔盘侧的强度甚至超过固体盘侧。通过M-S20组合的流向演化测量发现，固体盘尾流从0.5D处即出现7.5Hz峰值，而多孔盘侧相同峰值出现位置更下游，表明周期性并非源于多孔盘自身涡脱，而是其尾流对固体盘振荡的被动响应。

稳定性分析揭示物理机制

线性稳定性分析表明，多孔盘尾流在固体盘涡脱频率范围内（约20Hz）具有最高的空间增长率（-α_i），说明其对该频段扰动高度敏感。这种高敏感性与多孔结构抑制自持涡脱的特性形成对比：多孔盘（阻塞度57%）因缺乏足够强的回流区和局部小尺度湍流的均化作用，无法自主产生涡脱，但可作为高效的被动放大器响应外部周期性扰动。

实际应用的拓展验证

为验证实际意义，研究团队对Zhan等人测量的全尺寸风力涡轮机尾流数据（LiDAR测量）进行稳定性分析。发现风电尾流在无量纲频率0.2-0.25区间（对应维度频率0.015-0.019Hz）存在高敏感性，该频段正与大气边界层典型频率及风电尾流摆动现象吻合，预示风电场上游涡轮机的尾流摆动可能诱发下游尾流的同步周期性。

本研究通过精密实验与理论分析相结合，首次系统揭示了非对称尾流相互作用中周期性特征的诱导机制。主要结论表明：非脱体多孔盘尾流虽无自持涡脱，但其速度剖面特性使其对特定频段扰动具有极高敏感性，当邻近存在周期性涡脱尾流时，可通过能量传递诱导出强于源头的周期性振荡。这一发现更新了人们对尾流相互作用机理的认知，为风电场布局优化、城市风环境评估等工程问题提供了重要的理论基础。特别地，风电尾流稳定性分析结果预示，风电集群中尾流周期性的“传染效应”可能显著影响全场运行稳定性，这对未来大型风电场的规划设计具有重要指导意义。