T. Watanabe, T. Mori, K. Ishizawa, K. Nagata
Scale dependence of local shearing motion in decaying turbulence generated by multiple-jet interaction
Journal of Fluid Mechanics, 997 A14 2024

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Abstract

Scale dependence of local shearing motion is investigated experimentally in decaying homogeneous isotropic turbulence generated through multiple-jet interaction. The turbulent Reynolds number, based on the Taylor microscale, is between approximately 900 and 400. Velocity fields, measured using particle image velocimetry, are analysed through the triple decomposition of a low-pass filtered velocity gradient tensor, which quantifies the intensities of shear and rigid-body rotation at a given scale. These motions manifest predominantly as layer and tubular vortical structures, respectively. The scale dependence of the moments of velocity increments, associated with shear and rigid-body rotation, exhibits power-law behaviours. The scaling exponents for shear are in quantitative alignment with the anomalous scaling of the velocity structure functions, suggesting that velocity increments are influenced predominantly by shearing motion. In contrast, the exponents for rigid-body rotation are markedly smaller than those predicted by Kolmogorov scaling, reflecting the high intermittency of rigid-body rotation. The mean flow structure associated with shear at intermediate scales is investigated with conditional averages around locally intense shear regions in the filtered velocity field. The averaged flow field exhibits a shear layer structure with aspect ratio approximately 4.5, surrounded by rotating motion. The analysis at different scales reveals the existence of self-similar structures of shearing motion across various scales. The mean velocity jump across the shear layer increases with the layer thickness. This relationship is well predicted by Kolmogorov’s second similarity hypothesis, which is useful in predicting the mean characteristics of shear layers across a wide range of scales.

日本語訳 (DeepL翻訳)

複数噴流の相互作用によって生成される減衰する乱流における局所的な剪断運動のスケール依存性

局所的な剪断運動のスケール依存性は、複数噴流の相互作用により生成された減衰する一様等方性乱流において実験的に調査された。テイラーマイクロスケールに基づく乱流レイノルズ数は、おおよそ900から400の範囲にある。粒子画像速度測定法を用いて測定された速度場は、ローパスフィルターを適用した速度勾配テンソルの三重分解により解析され、特定のスケールにおける剪断と剛体回転の強度を定量化する。これらの運動は、それぞれ層状構造と管状渦構造として主に現れる。せん断と剛体回転に関連する速度増分のモーメントのスケール依存性は、べき法則的な挙動を示します。せん断のスケール指数は、速度構造関数の異常なスケール則と定量的に一致しており、速度の増加が主にせん断運動によって支配されていることを示唆しています。一方、剛体回転の指数は、コルモゴロフのスケール則で予測される値よりも著しく小さく、剛体回転の高い間欠性を反映しています。中間スケールにおけるせん断に関連する平均流構造は、フィルタリングされた速度場における局所的に強いせん断領域周辺の条件付き平均を用いて調査されました。平均流場は、アスペクト比約4.5のせん断層構造を示し、周囲を回転運動に囲まれています。異なるスケールでの分析は、さまざまなスケールにわたるせん断運動の自己相似構造の存在を明らかにしています。せん断層を跨ぐ平均速度のジャンプは、層の厚さに比例して増加します。この関係は、広範なスケールにわたるせん断層の平均特性を予測するのに有用な、コルモゴロフの第二類似性仮説によってよく予測されています。中間スケールにおけるせん断に関連する平均流構造は、フィルタリングされた速度場における局所的に激しいせん断領域周辺の条件付き平均を用いて調査されました。平均流場は、回転運動に囲まれた約4.5の縦横比を有するせん断層構造を示しています。異なるスケールでの分析は、多様なスケールにわたるせん断運動の自己相似構造の存在を明らかにしています。