H. Zexu, T. Watanabe, K. Nagata
Scale-dependent characteristics of shear layers in turbulence subject to axisymmetric expansion
Physics of Fluids 38 085146 2026
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0337924
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Abstract
The present study experimentally investigates the scale-dependent characteristics of shear layers in turbulence subject to axisymmetric expansion. Turbulence is generated by opposed multiple-jet arrays, in which two opposing nearly homogeneous isotropic turbulent flows collide and form an axisymmetric straining field. Two-dimensional, two-component particle image velocimetry is used to measure velocity fields, and shear layers are analyzed with the triple decomposition applied to filtered velocity gradients with filter sizes on the order of times the Kolmogorov scale. Conditional averaging in a local coordinate aligned with shear layers reveals that intense shear is concentrated in layer-like regions. The normalized profile of conditionally averaged shear vorticity is nearly independent of filter size, indicating self-similar shear layers at different scales. The mean velocity jump across the shear layer increases with shear-layer thickness and follows the scaling predicted by Kolmogorov’s second similarity hypothesis. The orientation dependence of shear layers is also examined. Shear layers are less frequently observed with orientations nearly parallel to the expansion direction than to the compression axis, and this tendency becomes more pronounced at larger scales. The normalized velocity jump increases as the layer orientation approaches that parallel to the compression axis, indicating that the velocity fluctuations enhanced by axisymmetric expansion in that direction strengthen the shear. The aspect ratio becomes larger for layers nearly perpendicular to the compression axis, suggesting that the imposed strain flattens shear layers depending on their alignment. These results indicate that the anisotropy of shear-layer characteristics induced by axisymmetric expansion becomes more evident at larger scales.
日本語訳
軸対称拡大を受ける乱流中のせん断層のスケール依存特性
本研究では，軸対称拡大を受ける乱流中のせん断層のスケール依存特性を実験的に調べた．乱流は対向する多噴流アレイによって生成され，対向する2つのほぼ一様等方性乱流が衝突することで軸対称ひずみ場が形成される．二次元二成分粒子画像流速測定法（PIV）を用いて速度場を計測し，コルモゴロフスケール η の O(10²) 倍のフィルタサイズでフィルタリングした速度勾配に三重分解を適用して，せん断層を解析した．せん断層に沿った局所座標系で条件付き平均を行った結果，強いせん断運動が層状の領域に集中していることが示された．条件付き平均されたせん断渦度の正規化分布はフィルタサイズにほとんど依存せず，異なるスケールにおいてせん断層が自己相似性をもつことが示された．せん断層を横切る平均速度差はせん断層厚さの増加とともに大きくなり，Kolmogorovの第二相似仮説から予測されるスケーリングに従った．さらに，せん断層の配向依存性を調べた．せん断層は，圧縮軸にほぼ平行な向きと比べて，拡大方向にほぼ平行な向きでは出現頻度が低く，この傾向はスケールが大きくなるほど顕著になった．正規化された速度差は，せん断層の向きが圧縮軸に平行な方向に近づくにつれて増加した．これは，軸対称拡大によってその方向の速度変動が増強されることで，せん断運動が強められることを示している．また，圧縮軸にほぼ垂直なせん断層ではアスペクト比が大きくなり，外部から加えられたひずみによって，せん断層がその配向に応じて扁平化されることが示唆された．これらの結果は，軸対称拡大によって生じるせん断層特性の非等方性が，大きなスケールほど顕著になることを示している．