Spatially local dissipation scaling in grid turbulence from direct numerical simulations
Y. Nishimoto, K. Nagata, T. Watanabe, Y. Zhou
Physics of Fluids 38 45139 2026
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0323676
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Abstract
We perform a spatially defined local analysis of the normalized turbulent kinetic energy dissipation rate, Cε, using a direct numerical simulation (DNS) database of temporally developing grid turbulence in a periodic box. The mesh-based Reynolds numbers are ReM = 10 000 and 20 000. Extending recent experimental local-time analyses to a fully three-dimensional flow field, we compute both global statistics over the entire domain and local statistics over spatially defined subdomains to assess nonequilibrium behavior during decay. Second- and third-order structure functions indicate negligible intermittency effects for the present cases, consistent with the relatively low turbulent Reynolds numbers Reλ. The local Cε depends strongly on the local Reλ and follows a nonequilibrium scaling, Cε/√Re0 ∝ Reλ−1, for both ReM and throughout the decay, where Re0 is the global Reynolds number. This DNS-based local scaling is consistent with wind-tunnel measurements of grid-generated turbulence when analyzed using local-time frameworks. In addition, the local Kolmogorov constant C2, defined as the peak of the second-order structure function, increases with the local Reλ and exhibits trends consistent with those obtained from global statistics.
日本語訳
直接数値計算による格子乱流における空間局所的な散逸スケーリング
我々は、周期境界条件を課した箱状領域内で時間発展する格子乱流の直接数値計算（DNS）データベースを用い、正規化された乱流運動エネルギー散逸率 Cε の空間的に定義された局所解析を行う。メッシュ基準レイノルズ数は ReM = 10 000 および 20 000 である。近年の実験的な局所時間解析を完全な三次元流れ場へ拡張し、減衰過程における非平衡挙動を評価するため、全計算領域にわたるグローバル統計と、空間的に定義された部分領域にわたる局所統計の双方を算出する。二次および三次構造関数は、本研究の計算条件では間欠性の影響が無視できることを示しており、これは比較的低い乱流レイノルズ数 Reλ と整合する。局所的な Cε は局所的な Reλ に強く依存し、両方の ReM および減衰過程全体にわたって、非平衡スケーリング Cε/√Re0 ∝ Reλ−1 に従う。ここで Re0 はグローバルレイノルズ数である。このDNSに基づく局所スケーリングは、局所時間の枠組みを用いて解析した格子生成乱流の風洞測定結果と整合する。さらに、二次構造関数のピークとして定義される局所Kolmogorov定数 C2 は、局所的な Reλ の増加とともに増加し、グローバル統計から得られる傾向と整合する傾向を示す。