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Exploring multiple phases and first-order phase transitions in Kármán Vortex Street

Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2024年第11期Mechanics & Astronomy) .卷 51-58页

作者： Xu Li Xing Xiang Tingting Xue Limin Wang Xiaosong Chen School of Systems Science and Institute of Nonequilibrium Systems Beijing Normal University State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems Institute of Process Engineering Chinese Academy of Sciences School of Chemical Engineering University of Chinese Academy of Sciences

Kármán Vortex Street, a fascinating phenomenon of fluid dynamics, has intrigued the scientific community for a long time. Many researchers have dedicated their efforts to unraveling the essence of this intriguing flow pattern. Here, we apply the lattice Boltzmann method with curved boundary conditions to simulate flows around a circular cylinder and study the emergence of Kármán Vortex Street using the eigen microstate approach, which can identify phase transition and its order-parameter. At low Reynolds number, there is only one dominant eigen microstate W1of laminar flow. At Rec1= 53.6, there is a phase transition with the emergence of an eigen microstate pair W2,3of pressure and velocity fields. Further at Rec2= 56, there is another phase transition with the emergence of two eigen microstate pairs W4,5and W6,7. Using the renormalization group theory of eigen microstate,both phase transitions are determined to be first-order. The two-dimensional energy spectrum of eigen microstate for W1, W2,3after Rec1, W4-7after Rec2exhibit-5/3 power-law behavior of Kolnogorov's K41 theory. These results reveal the complexity and provide an analysis of the Kármán Vortex Street from the perspective of phase transitions.

关键词： Kármán Vortex Street first-order phase transition eigen microstate approach renormalization group theory of eigen microstate

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