汇流旋涡临界贯穿条件与Ekman抽吸演化机理（英文）

目的:提出一种自由汇流旋涡形成过程建模求解方法,得到其临界贯穿条件,并揭示其Ekman边界层抽吸演化机理。创新点:1.基于二维Rankine位势涡理论,建立自由汇流旋涡动力学模型,得到其压力、速度分布;2.提出一种基于Helmholtz方程的汇流旋涡贯穿临界条件求解方法;3.成功搭建一种基于双目内窥技术的汇流旋涡观测实验平台,可实现对旋涡贯穿及Ekman抽吸过程的精确观测。方法:1.将汇流旋涡定义为涡核与核外流两部分,并基于Bernoulli方程与Lamb-ΓΡΟΜΕΚΟ方程得到汇流旋涡界面形状及压力、速度分布;2.基于上述动力学模型,结合Helmholtz涡量动力学方程,利用分离变量积分方法,得到旋涡形成轴向速度与深度的解析关系表达式;3.基于粒子图像测速(PIV)方法,结合双目内窥技术,实现对汇流旋涡临界贯穿与边界层抽吸的流动细节特征的实时追踪。结论:1.汇流旋涡临界贯穿条件是一个解集,这是由不同的流场初始扰动条件造成的;2.旋涡抽吸孔最低点的高度由容器的几何参数决定,与初始扰动速度无关;3.若初始扰动增强,旋涡深度与Ekman层厚度增加,但在抽吸过程中的边界层涡量强度有减弱趋势;4.PIV实验验证了上述理论结果的正确性,并观测到旋涡半径边界与涡量集聚现象。