Large eddy simulation of the fluid–structure interaction in an abstracted aquatic canopy consisting of flexible blades
Large eddy simulation of the fluid–structure interaction in an abstracted aquatic canopy consisting of flexible blades
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由柔性叶片组成的抽象水生冠层中流体结构相互作用的大涡模拟
DOI：
10.1017/jfm.2020.858
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发表时间：
2021
影响因子：
3.7
通讯作者：
Jochen Fröhlich
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Silvio Tschisgale;Bastian Löhrer;Richard Meller;Jochen Fröhlich
本文研究了水下水生冠层的流固相互作用，特别关注了连贯流动结构与植被要素运动之间的复杂相互作用。从淹没模式冠层流动的大涡模拟中获得了对潜在机制的新见解。模型顶篷由800个高度灵活的叶片组成，每个叶片都通过浸入边界法单独分解。获得的高分辨率流动数据揭示了众所周知的相干湍流结构，包括速度条纹，混合层的开尔文-亥姆霍兹（KH）涡以及外流区的发夹（HP）涡。目前的结果表明，这些原型结构的相互作用在产生独特的湍流特征中起着关键作用，例如位于高速和低速条纹之间的复合KH/HP涡。在这些明显的涡流的影响下，叶片组以强烈的局部重构作为回应。由于平均气流对相干结构的对流，这导致了冠层在顺流方向上明显的波状运动，称为单波运动。对这一现象的频率分析表明，植被的反应几乎是被动的，仅仅反映了当地的水流状况。
The paper addresses the fluid–structure interaction of submerged aquatic canopies, with particular focus on the complex interplay between coherent flow structures and the motion of vegetation elements. New insights into the underlying mechanisms are gained from a large eddy simulation of a submerged model canopy flow. The model canopy is made up of 800 highly flexible blades, each individually resolved by an immersed boundary method. The obtained high-resolution flow data reveal well-known coherent turbulent structures, including velocity streaks, Kelvin–Helmholtz (KH) vortices in the mixing layer as well as hairpin (HP) vortices in the outer flow region. The present results show that the interaction of these prototypical structures plays a key role creating unique turbulent features such as composite KH/HP vortices located between a high-speed and low-speed streak. Under the influence of these pronounced eddies, groups of blades respond by a strong local reconfiguration. Due to the convection of the coherent structures by the mean flow this causes an apparent wave-like motion of the canopy in streamwise direction, known as monami. A frequency analysis of this phenomenon shows that the vegetation responds almost passively, merely reflecting local flow conditions.
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