T. Watanabe
Efficient enhancement of turbulent entrainment by small-scale shear instability
Journal of Fluid Mechanics, 988 A20 2024

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Abstract

Turbulent entrainment is a process by which a locally turbulent region draws in an outer irrotational fluid. A large number of small-scale vortices and shear layers exist near the turbulent/non-turbulent interface; these features influence the local entrainment process. Direct numerical simulations of a turbulent front evolving into a quiescent flow without mean shear show that the entrainment rate is amplified by triggering the instability of small-scale shear layers via weak perturbations with a wavelength matching that of the unstable mode of the shear layers. Imposing artificial perturbations with a length scale approximately 30 times the Kolmogorov scale leads to the rapid collapse of small-scale shear layers due to instability, generating vortices near the turbulent/non-turbulent interface. Amplification of the entrainment rate is linked to the enlarged area and increased propagation velocity of the interface. The impact of perturbations on the entrainment rate becomes most pronounced when the flow evolves over approximately 7 times the Kolmogorov time scale, after which their influence diminishes over time. Additionally, the increase in entrainment rate is dictated by the ratio of the perturbation amplitude to the Kolmogorov velocity scale. The entrainment enhancement process is governed by Kolmogorov scales, suggesting that even weak perturbations can amplify the entrainment rate in high Reynolds number flows.

日本語訳 (DeepL翻訳)

小スケールせん断不安定性による乱流エントレインの効率的促進

乱流エントレインメントは、局所的な乱流領域が外側の非乱流体を引き込むプロセスである。乱流/非乱流界面近傍には多数の小規模な渦とせん断層が存在し、これらの特徴は局所的な巻き込みプロセスに影響を与える。乱流前線が平均せん断のない静止流に発展する直接数値シミュレーションにより、せん断層の不安定モードと波長が一致する弱い擾乱によって小規模せん断層の不安定性を誘発することで、巻き込み速度が増幅されることが示された。Kolmogorovスケールの約30倍の長さの人工的な摂動を与えることで、乱流/非乱流界面近傍に渦を発生させ、不安定性により小規模なせん断層が急速に崩壊する。巻き込み速度の増幅は、界面の面積の拡大と伝播速度の増加に関連している。摂動が巻き込み率に与える影響は、流れがコルモゴロフの時間スケールのおよそ7倍にわたって発展するときに最も顕著になり、その後、その影響は時間とともに減少する。さらに、巻込み速度の増加は、コルモゴロフ流速スケールに対する擾乱振幅の比によって決まる。巻き込みの増大過程はコルモゴロフスケールに支配されており、弱い擾乱でも高レイノルズ数の流れにおいて巻き込み率を増幅できることを示唆している。