Тонкая пластина будит турбулентность раньше срока экспресс
Тонкая пластина стоит поперёк потока воды или воздуха. За ней рождается след — зона, где течение путается и перемешивается. Обычно такой след становится турбулентным, когда скорость потока достаточно велика, и мерой этого служит число Рейнольдса. Для круглых и квадратных препятствий турбулентность в следе появляется при числах Рейнольдса порядка нескольких тысяч. Но у плоской пластины всё иначе.
Авторы работы просчитали на компьютере обтекание пластины при числе Рейнольдса 400 и сравнили с измерениями в аэродинамической трубе при числах 12500 и 19700. Ключевые величины — средняя скорость, напряжения Рейнольдса, перенос кинетической энергии турбулентности — совпали в пределах погрешности измерений. Более того, в расчёте при 400 проявились спектры энергии и перемежаемость, характерные для развитой турбулентности. А при числе Рейнольдса 150 ничего этого нет: распределения величин совсем другие, турбулентности нет.
Разница в поведении следа объясняется тем, как пластина срывает вихри. У тонкой пластины острые кромки заставляют поток отрываться сразу и формировать вихревую дорожку уже при малых скоростях. У круглого цилиндра отрыв плавный, и турбулентность развивается позже. Это открытие помогает точнее рассчитывать обтекание тонких конструкций — от крыльев до мостовых ограждений.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.17341
We consider the wake flow past a thin two-dimensional flat plate normal to the uniform stream and demonstrate that this flow is turbulent already at a relatively low Reynolds number of $$Re = 400$$. This is achieved by performing a careful comparison of the results of a DNS of this flow with experimental measurements of wake flows in the same geometric configuration at the Reynolds numbers of $$Re=12500, 19700$$. This comparison reveals that the distribution of several key quantities, including the mean velocity, Reynolds stresses and different effects contributing to the transport of the turbulent kinetic energy, are, up to measurement uncertainty, the same in these flows. Moreover, the wake flow at $$Re = 400$$ also features energy spectra characteristic of turbulent flows with intermittency detected in the distributions of the fluctuating strain and rotation rates. In contrast, these features are absent from the results of the DNS of the wake flow at $$Re = 150$$ where the distribution of the key quantities is also fundamentally different. These results show that the path to transition to turbulence in the wake past a thin flat plate is different from that in the wakes of canonical (i.e., circular or square) cylinders. We also identify possible physical mechanisms that may be responsible for these differences.
При числе Рейнольдса 400 вода в трубе диаметром 1 см должна течь со скоростью всего 4 см/с, чтобы след за тонкой пластиной стал турбулентным.