在实际生产实践中,细长状钝体结构通常以“群”的形式存在,例如高层建筑物、烟囱、换热器管束、斜拉桥钢索、主板电子元器件以及海洋勘探平台立管。紧凑布置的钝体群绕流流动通常伴随着剪切层分离和再附,漩涡与结构、漩涡与漩涡之间的相互作用,以及尾流涡街演化等复杂流动现象;将恶化钝体结构疲劳损伤或局部污染物聚集。对并列和串列三方柱绕流流动特征的研究,有助于对多钝体结构复杂绕流流动现象(即存在多间隙流相互作用,二次涡街与下游柱体相互作用等)的理解,因此对基础和工程应用研究均具有重要意义。低雷诺数的数值计算结果可提供清晰、明显的尾流流场结构信息,包括漩涡的形成和相互作用、漩涡脱落的相位差以及涡街的演化过程,等等。低雷诺数的数值计算结果无法直接适用于高雷诺数的工程应用实践,但有助于理解高雷诺数的绕流流动机理。因此,在钝体群绕流研究领域,二维低雷诺数直接数值计算方法被广泛采用。本文通过直接数值计算方法系统地研究了低雷诺数(Re=150)下并列三方柱绕流流动特征,其中方柱中心间距比L/W=1.1-9.0(L为方柱中心间距,W为方柱边长),并定义了五种不同流动形态:类单一钝体流动(based-bleed flow,L/W<1.4)、不稳定流动(flip-flopping flow,1.4<L/W<2.1)、对称偏斜节拍流动(symmetrically biased beat flow,2.1<L/W<2.6)、不偏斜节拍流动(non-biased beat flow,2.6<L/W<7.25)和弱干涉流动(weak interaction flow,7.25<L/W<9.0)。细致分析了不同流动形态的物理特征,包括漩涡结构,涡动力学特征,间隙流与柱体外侧剪切流、间隙流与间隙流之间的相互作用,漩涡脱落频率,以及作用于柱体的流体力与流场结构的联系。在对称偏斜节拍流动和不偏斜节拍流动区间观测到节拍频率(beat frequency)现象,对应着柱体升力系数峰值或幅值的周期性变化。论文揭示了节拍频率现象产生的内在机理:方柱间间隙两侧剪切层脱落的相位差是节拍频率现象产生的根源。当间隙两侧剪切层以同相相位脱落时,两剪切层界面(间隙中心线)上的粘性力为零,从而导致最大的间隙流向速度脉动与动量脉动,进而产生最大的柱体升力系数幅值。反之,当间隙两侧剪切层以反相相位脱落时,两侧剪切层界面上的粘性力达到最大值,与之对应的是最小的间隙流向速度脉动、动量脉动和柱体升力系数幅值。当间隙两侧剪切层脱落的相位差从同相向反相过渡,两侧剪切层界面上的粘性力逐渐增大,导致柱体升力系数幅值从最大值逐渐过渡到最小值。本文还细致研究了低雷诺数(Re=150)下串列三方柱绕流流动特征,其中方柱中心间距比L/W=1.2-10.0。基于对绕流流场结构,漩涡脱落频率,作用于柱体的流体力,涡量、速度和压力场的详尽分析,确定了四种不同流动形态和相应的方柱中心间距区间:单一钝体流动(single bluff-body flow,L/W<3.0)、交替再附着流动(alternating reattachment flow,3.0<L/W<4.3)、漩涡同步脱落流动(synchronized coshedding flow,4.3<L/W<7.3)、漩涡非同步脱落流动(desynchronized coshedding flow,7.3<L/W≤10.0)。其中,漩涡同步脱落流动根据尾流形态差异进一步划分为两个区间:单一漩涡脱落频率流动(single St flow,4.3<L/W<5.1)和双漩涡脱落频率流动(dual St flow,5.1<L/W<7.3)。论文细致分析了不同流动区间上,作用于柱体的流体力对应的平均值和脉动值随方柱中心间距的变化,并结合流场结构特征给予了合理解释。在双漩涡脱落频率流动和漩涡非同步脱落流动区间上,观测到二次涡街(secondary vortex street)伴随着主涡街(primary vortex street)在流场中共存。文中揭示了主涡街向二次涡街的演化过程和机理:二次涡街对应的二次脱落频率(secondary shedding frequency)比主脱落频率(primary shedding frequency)小;二次脱落频率与主脱落频率的比值取决于主涡街向二次涡街演化过程中漩涡的配对关系;主涡街向二次涡街的演化周期对应着三次脱落频率(tertiary shedding frequency)。与已有文献报道不同,本文首次提出动态模式分解(dynamic mode decomposition,DMD)算法可作为一种有效和定量的分析方法用于确定和量化二次涡街及其起始位置。动态模式分解算法将实验或计算数据序列分解成若干具有单一频率和增长/衰减率的相干结构(DMD模态)。二次涡街的起始点位于二次脱落频率对应的DMD模态中涡量局部最大值所在位置。