绕流尾迹与自由液面的相互作用是海洋工程中的关键问题，涉及水下航行体、海洋结构物等多类应用场景。该问题在理论、实验和数值模拟方面存在挑战。特别是在液面大变形条件下，流动存在液面剧烈破碎、翻卷和空气卷入等复杂现象，形成大范围混相湍流，其内在机理仍有待深入揭示。

在自由液面来流绕经浸没水平圆柱的研究中，力学所杨子轩研究员团队通过三维直接数值模拟，在固定弗劳德数、间隙比和韦伯数和极大密度比与粘度比的条件下，系统探索了雷诺数对尾迹与自由液面相互作用的影响，相关成果以“Free-surface flow past a submerged horizontal cylinder: Reynolds-number dependence”为题发表在《Journal of Fluid Mechanics》。

研究结果表明，圆柱上下两侧形成的分离剪切层上方存在类射流结构，对流动具有增稳作用，可抑制涡脱落的发生。在雷诺数为400时，涡脱落被显著抑制，这与单相圆柱绕流显著不同；当雷诺数升高至500及以上，流动不稳定性增强，系统开始出现周期性涡脱落。

进一步分析发现，圆柱升阻力系数与空气卷入体积的高频脉动信号与涡脱落频率高度一致，说明二者均受涡脱落主导。对斯特劳哈数的分析显示，其与雷诺数的关系遵循与单相圆柱绕流相似的-1幂律。同时，升阻力与空气卷入体积还存在低频变化，主要源于圆柱上方间隙水深的低频波动。此外，在重力主导的流动状态下，气泡尺寸分布呈现-6幂律特征，揭示了卷入气泡的统计规律。该研究为理解大变形自由液面与绕流尾迹相互作用提供了新的机理认识与数值依据。

力学所博士研究生孙俊为论文第一作者，特别研究助理卢敏为第二作者，杨子轩研究员为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10839

图：空气卷入过程，使用流向速度进行染色