Shock surface evolution in the interaction between a planar shock wave and turbulence
A. Kusuhata, T. Watanabe, K. Nagata
Physics of Fluids 38 66118 2026
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0330198
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Abstract
The present study investigates the deformation process of a planar shock wave propagating through turbulence using direct numerical simulation. The shock wave is identified as a pressure isosurface, and its area change is examined using the surface evolution equation. The area evolution is governed by two mechanisms: the fluid-deformation term associated with velocity gradients and the propagation-deflection term associated with curved-shock propagation. The shock surface area increases because of fluid deformation after the shock wave enters the turbulent region and then gradually decreases in a quasi-steady state, where the propagation-deflection term suppresses the area increase. Although these terms nearly balance on average, the local area change is dominated by the propagation-deflection term, which contributes to both increases and decreases in surface area. Mean-curvature analysis shows that concave regions tend to decrease the surface area, whereas convex regions tend to increase it. Curved-shock propagation acts to flatten and stabilize the shock surface, as observed after the shock wave exits the turbulent region. Analysis of vortex tubes and vortex sheets further shows that the fluid-deformation term is closely related to the mean flow topologies around vortical structures. The surface area tends to decrease when the vorticity direction is nearly aligned with the shock-normal direction and to increase when it is nearly parallel to the shock surface. These results clarify the physical processes governing shock surface deformation and provide a physical basis for understanding how turbulence modulates shock waves.
日本語訳
平面衝撃波と乱流の相互作用における衝撃波面の発展
本研究では、直接数値計算を用いて、乱流中を伝播する平面衝撃波の変形過程を調べる。衝撃波は圧力等値面として同定し、その面積変化を表面発展方程式により解析する。面積の発展は、速度勾配に関連する流体変形項と、曲率をもつ衝撃波の伝播に関連する伝播・偏向項の二つの機構に支配される。衝撃波面の面積は、衝撃波が乱流領域に入った後、流体変形によって増加し、その後、準定常状態において徐々に減少する。このとき、伝播・偏向項が面積の増加を抑制する。これらの項は平均的にはほぼ釣り合うが、局所的な面積変化は伝播・偏向項に支配され、この項は表面積の増加と減少の双方に寄与する。平均曲率解析により、凹領域では表面積が減少する傾向があり、凸領域では表面積が増加する傾向があることが示される。曲率をもつ衝撃波の伝播は、衝撃波が乱流領域を出た後に観察されるように、衝撃波面を平坦化し安定化するように作用する。さらに、渦管および渦層の解析により、流体変形項は渦構造まわりの平均流れのトポロジーと密接に関連していることが示される。表面積は、渦度方向が衝撃波面法線方向とほぼ一致する場合に減少し、衝撃波面にほぼ平行な場合に増加する傾向がある。これらの結果は、衝撃波面変形を支配する物理過程を明らかにし、乱流が衝撃波をどのように変調するかを理解するための物理的基盤を与える。