T. Watanabe
Enhancement of passive scalar mixing in a shear-free turbulent front
Proceedings of the IUTAM Symposium on Turbulent/Non-Turbulent Interface in Turbulent Shear Flows, 45 79-93 2025

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Abstract

A localized turbulent region expands spatially by entraining surrounding non-turbulent fluid, demarcated by the turbulent/non-turbulent interface (TNTI) layer. Small-scale vortex tubes and shear layers within this TNTI layer play a pivotal role in the process of entrainment. Shear layers in turbulence are known to be unstable against perturbations with wavelengths approximately 30 times the Kolmogorov scale. This study conducts numerical experiments aimed at investigating the potential for enhancing passive scalar mixing through the excitation of small-scale shear instability. Direct numerical simulations (DNS) are conducted for a turbulent front with a passive scalar transfer evolving in the absence of mean shear, where solenoidal velocity perturbations of constant wavelength are introduced outside the turbulent region. These perturbations are found to enhance the entrainment rate significantly when their wavelength coincides with the unstable mode of shear layers. Despite the increased entrainment rate facilitated by the excitation of small-scale shear instability, passive scalar statistics dominated by large-scale scalar distributions, such as mean scalar and root-mean-squared scalar fluctuations, remain largely unaffected. However, this enhanced entrainment rate results in the amplification of the scalar dissipation rate, which provides a measure of scalar mixing at small scales. These findings indicate that exciting small-scale shear instability can effectively enhance entrainment and small-scale scalar mixing in intermittent turbulent flows.

日本語訳 (DeepL翻訳)

せん断のない乱流前線におけるパッシブスカラー混合の促進

局所的な乱流領域は、周囲の非乱流流体を巻き込むことで空間的に拡大し、乱流/非乱流界面（TNTI）層によって境界が画されています。このTNTI層内の小規模な渦管とせん断層は、巻き込みプロセスにおいて重要な役割を果たします。乱流中のせん断層は、コルモゴロフスケールの約30倍の波長を持つ擾乱に対して不安定であることが知られています。本研究では、小規模なせん断不安定性の励起を通じて受動的スカラー混合を強化する可能性を調査するための数値実験を実施しました。平均せん断のない状態で進化する乱流前線における受動的スカラー転移を対象に、直接数値シミュレーション（DNS）を実施します。乱流領域外で、一定波長のソレノイド速度擾乱を導入しています。これらの擾乱は、その波長がせん断層の不安定モードと一致する場合、巻き込み率を著しく増加させることが判明しています。小規模なせん断不安定性の励起により巻き込み率が向上するにもかかわらず、平均スカラーや二乗平均平方根スカラー変動など、大規模なスカラー分布に支配される受動的スカラー統計は、ほとんど影響を受けません。しかし、この増大した巻き込み率は、小規模なスカラー混合の指標となるスカラー散逸率の増幅を引き起こします。これらの結果は、小規模なせん断不安定性の励起が、間欠的な乱流流れにおいて巻き込みと小規模なスカラー混合を効果的に増大させることを示しています。