Shear-layer structures in turbulence generated by opposed multiple-fan arrays
H. Zexu, Y. Sakai, T. Watanabe, K. Nagata
International Communications in Heat and Mass Transfer 179(2) 112209 2026
DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.112209

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Abstract

Shear layers arising from turbulent velocity fluctuations are important flow structures that strongly influence heat and mass transfer, but their characteristics have been examined in only a limited range of flows. The present study investigates shear layers in turbulence generated by opposed multiple-fan arrays. Velocity fields are measured by particle image velocimetry in a multi-fan turbulence chamber under three fan-speed conditions, including nearly isotropic and anisotropic cases. Shear layers are analyzed using the triple decomposition applied to low-pass-filtered velocity fields to examine their scale dependence over the filter range from $20\eta$ to $80\eta$, where $\eta$ is the Kolmogorov scale. The results show that intense shearing motions form layer-like structures. Conditional averaging in a shear-aligned coordinate system reveals that the conditionally averaged shear-vorticity profile is self-similar for filter scales above $30\eta$. The aspect ratio of shear layers remains approximately 4–5 and varies little with scale or flow condition. The mean velocity jump across a shear layer increases with scale and is reasonably scaled by ${\left(\varepsilon {\delta }_S\right)}^{1/3}$, where $\varepsilon$ is the turbulent kinetic energy dissipation rate and ${\delta }_S$ is the shear-layer thickness, indicating consistency with Kolmogorov scaling. Although the most anisotropic case exhibits larger velocity fluctuations in the fan-axial direction than those in the vertical direction, the probability density function of shear-layer orientation is nearly uniform, and both the aspect ratio and the normalized velocity jump depend only weakly on orientation. These results suggest that the fundamental characteristics of shear layers at scales of $O\left(10^1\eta \right)$ are robust against large-scale anisotropy.

日本語訳

対向マルチファン配列によって生成される乱流中のせん断層構造

乱流速度変動によって形成されるせん断層は，熱・物質輸送に強く影響する重要な流れ構造であるが，その特性が調べられている流れは限られている．本研究では，対向するマルチファン配列によって生成される乱流中のせん断層を調査した．マルチファン乱流発生装置において，ほぼ等方的な場合と非等方的な場合を含む3種類のファン回転速度条件について，粒子画像流速測定法（PIV）を用いて速度場を計測した．せん断層のスケール依存性を調べるため，低域通過フィルタを適用した速度場に三重分解を適用し，コルモゴロフスケールを η として，20η から 80η のフィルタスケールについて解析を行った．その結果，強いせん断運動が層状の構造を形成することが示された．せん断方向に基づく座標系で条件付き平均を行ったところ，30η 以上のフィルタスケールでは，条件付き平均されたせん断渦度分布が自己相似性を示した．せん断層のアスペクト比は約4～5であり，スケールや流れ条件による変化は小さかった．せん断層を横切る平均速度差はスケールとともに増加し，乱流エネルギ散逸率を ε，せん断層厚さを δₛ とすると，(εδₛ)¹ᐟ³ によって概ねスケーリングできた．これはコルモゴロフスケーリングと整合する．最も強い非等方性をもつ条件では，ファン軸方向の速度変動が鉛直方向よりも大きかったものの，せん断層の配向角の確率密度関数はほぼ一様であった．また，アスペクト比および無次元化された速度差の配向角依存性はいずれも弱かった．これらの結果は，O(10¹η) のスケールにおけるせん断層の基本的特性が，大スケールの非等方性に対して頑健であることを示している．

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