Y. Zheng, K. Nagata, T. Watanabe
Energy dissipation and enstrophy production/destruction at very low Reynolds numbers in the final stage of the transition period of decay in grid turbulence
Physics of Fluids, 33 035147 2021

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This article may be found at https://doi.org/10.1063/5.0041929.

Abstract

Decay characteristics of turbulent kinetic energy and enstrophy in grid turbulence have been investigated in the far downstream region (x/M∼10^3: x is the downstream distance from the grid, M is the mesh size of the grid) through wind tunnel experiments using hot-wire anemometry, with the lowest turbulent Reynolds number Reλ≈5. The non-dimensional dissipation rate Cε increases rapidly toward the final stage of the transition period of decay and the profile agrees well with previous direct numerical simulation [W. D. McComb et al., “Taylor’s (1935) dissipation surrogate reinterpreted,” Phys. Fluids 22, 061704 (2010)] and theoretical estimation [D. Lohse, “Crossover from high to low Reynolds number turbulence,” Phys. Rev. Lett. 73, 3223 (1994)] at very low Reλ in decaying and stationary isotropic turbulence. The present result of Cε is an update on the experimental data in grid turbulence toward a very low Reλ, where measurements have been absent. The energy spectrum in the dissipation range at very low Reλ deviates from a universal form observed at high Reynolds numbers. The decay rate of enstrophy is proportional to S+2G/Reλ (S is the skewness of the longitudinal velocity derivative and G is the destruction coefficient). It is shown that G and S+2G/Reλ increase rapidly with decreasing Reλ at very low Reλ, indicating that the effect of enstrophy destruction is dominant in the final stage of the transition period of decay. The profiles of S+2G/Reλ against Reλ is well fitted by a power-law function even in the final stage of the transition period of decay.

日本語訳 (DeepL翻訳)

格子状乱流の減衰遷移期の最終段階における極低レイノルズ数でのエネルギー散逸とエンストロフィーの生成・破壊

格子状乱流における乱流運動エネルギーとエンストロフィーの減衰特性を、熱線流速計を用いた風洞実験により、最小乱流レイノルズ数Reλ≈5で、遠下流域（x/M∼10^3：xは格子からの下流距離、Mは格子メッシュサイズ）において調べた。無次元散逸率Cεは減衰の遷移期の最終段階に向かって急激に増加し、その分布は過去の減衰性および静止した等方性乱流における非常に低いReλでの直接数値シミュレーション[W. D. McCombら, “Taylor’s (1935) dissipation surrogate reinterpreted,” Phys. Fluids 22, 061704 (2010)] および理論的推定値 [D. Lohse, “Crossover from high to low Reynolds number turbulence,” Phys.Rev. Lett. 73, 3223 (1994)]と一致した。今回のCεの結果は、これまで測定が行われていなかった極低Reλに向けた格子乱流の実験データを更新するものである。極低Reλにおける散逸域のエネルギースペクトルは、高レイノルズ数で観測される普遍的な形から逸脱している。エンストロフィーの減衰率はS+2G/Reλに比例する(Sは縦速度微分の歪度、Gは破壊係数)。GとS+2G/ReλはReλが非常に小さいときにReλの減少とともに急激に増加することが示され、減衰の遷移期の最終段階においてエンストロフィー減衰の効果が支配的であることが示された。Reλに対するS+2G/Reλのプロファイルは、減衰の遷移期の最終段階においても、べき乗関数でよくフィットすることが示された。

T. Matsushima, K. Nagata, T. Watanabe
Wavelet analysis of shearless turbulent mixing layer
Physics of Fluids, 33 025109 2021

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Abstract

The intermittency and scaling exponents of structure functions are experimentally studied in a shearless turbulent mixing layer. Motivated by previous studies on the anomalous scaling in homogeneous/inhomogeneous turbulent flows, this study aims to investigate the effect of strong intermittency caused by turbulent kinetic energy diffusion without energy production by mean shear. We applied an orthonormal wavelet transformation to time series data of streamwise velocity fluctuations measured by hot-wire anemometry. Intermittent fluctuations are extracted by a conditional method with the local intermittency measure, and the scaling exponents of strong and weak intermittent fluctuations are calculated based on the extended self-similarity. The results show that the intermittency is stronger in the mixing layer region than in the quasi-homogeneous isotropic turbulent regions, especially at small scales. The deviation of higher-order scaling exponents from Kolmogorov’s self-similarity hypothesis is significant in the mixing layer region, and the large deviation is caused by strong, intermittent fluctuations even without mean shear. The total intermittent energy ratio is also different in the mixing layer region, suggesting that the total intermittent energy ratio is not universal but depends on turbulent flows. The scaling exponents of weak fluctuations with a wavelet coefficient flatness corresponding to the Gaussian distribution value of 3 follow the Kolmogorov theory up to fifth order. However, the sixth order scaling exponent is still affected by these weak fluctuations.

日本語訳 (DeepL翻訳)

無剪断乱流混合層のウェーブレット解析

無剪断乱流混合層において、構造関数の間欠性とスケーリング指数を実験的に研究した。一様／非一様乱流における異常スケーリングの先行研究に着想を得て、本研究では、平均せん断によるエネルギー生成を伴わない乱流運動エネルギー拡散による強い間欠性の効果を調べることを目的とした。熱線流速計で計測した流線速度変動の時系列データに、直交ウェーブレット変換を適用した。間欠性揺らぎは局所間欠性尺度を用いた条件法にて抽出し、拡張自己相似性に基づいて強弱間欠性揺らぎのスケーリング指数を算出した。その結果、準一様等方乱流領域よりも混合層領域において、特に小さなスケールで間欠性が強くなることが示された。高次スケーリング指数のKolmogorovの自己相似性仮説からの乖離は混合層領域で大きく、その大きな乖離は平均せん断がなくても強い間欠的揺らぎによるものであることがわかった。また、全断続エネルギー比も混合層領域で異なっており、全断続エネルギー比は普遍的なものではなく、乱流に依存することが示唆された。ガウス分布の値3に相当するウェーブレット係数の平坦度を持つ弱い揺らぎのスケーリング指数は、5次まではKolmogorov理論に従う。しかし、6次のスケーリング指数は、これらの弱い揺らぎの影響をまだ受けている。

K. Tanaka, T. Watanabe, K. Nagata
Statistical analysis of deformation of a shock wave propagating in a local turbulent region
Physics of Fluids, 32 096107 2020

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This article may be found at https://doi.org/10.1063/5.0019784.

Abstract

Direct numerical simulation is performed for analyzing the interaction between a normal shock wave and turbulence. The shock wave is initially located in a quiescent fluid and propagates into a local turbulent region. This flow setup allows investigation of the initial transition and statistically steady stages of the interaction. Shock deformation is quantified using the local shock wave position. The root-mean-square (rms) fluctuation in the shock wave position increases during the initial stage of the interaction, for which the time interval divided by the integral time scale increases with Mt^2/(Ms^2−1), where Mt is a turbulent Mach number and Ms is a shock Mach number. In late time, the rms fluctuation in the shock wave position hardly depends on the propagation time and follows a power law, [Mt^2/(Ms^2−1)]^0.46, whose exponent is similar to the power law exponent of the rms pressure-jump fluctuation reported in experimental studies. Fluctuations in the shock wave position have a Gaussian probability density function. The spectral analysis confirms that the length scale that characterizes shock wave deformation is the integral length scale of turbulence. The fluctuating shock wave position is correlated with dilatation of the shock wave, where the correlation coefficient increases with Mt/(Ms − 1). In addition, the shock wave that deforms backward tends to be stronger than average and vice versa. Mean pressure jumps across the shock wave are different between areas with forward and backward deformations. This difference increases with the rms fluctuation in the shock wave position and is well-represented as a function of Mt^2/(Ms^2−1).

日本語訳 (DeepL翻訳)

局所乱流領域内を伝播する衝撃波の変形に関する統計解析

垂直衝撃波と乱流の相互作用を解析するために、直接数値シミュレーションを行った。衝撃波は静止流体中に初期配置され、局所的な乱流領域へと伝播していく。この流れの設定により、相互作用の初期遷移と統計的定常段階を調査することができる。衝撃波の変形は、局所的な衝撃波の位置を用いて定量化される。衝撃波の位置の二乗平均平方根（rms）変動は、相互作用の初期段階において増加し、時間間隔を積分時間スケールで割るとMt^2/（Ms^2-1）、ここでMtは乱流マッハ数、Msは衝撃マッハ数で割ると増加することがわかった。遅い時間では衝撃波の位置の実効変動は伝播時間にほとんど依存せず、 [Mt^2/(Ms^2-1)]^0.46 というべき乗則に従っており、その指数は実験的に報告されている圧力ジャンプの実効変動のべき乗則指数とほぼ同じである。衝撃波の位置の揺らぎはガウス型の確率密度関数を持つ。スペクトル解析の結果、衝撃波の変形を特徴づける長さスケールは、乱流の積分長さスケールであることが確認された。変動する衝撃波の位置は衝撃波の膨張と相関があり、相関係数はMt/(Ms – 1)で増加する。また、後方に変形する衝撃波は平均よりも強くなる傾向があり、逆もまた然りである。衝撃波全体の平均圧力ジャンプは、前方変形の領域と後方変形の領域とで異なっている。この差は衝撃波の位置のrms変動に伴って大きくなり、Mt^2/(Ms^2-1)の関数としてよく表わされるようになる。

K. Aruga, K. Inokuma, T. Watanabe, K. Nagata, Y. Sakai
Experimental investigation of interactions between turbulent cylinder wake and spherical shock wave
Physics of Fluids, 32 16101 2020

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Abstract

Interactions between a spherical shock wave and a turbulent cylinder wake are studied with wind tunnel experiments. The shock wave is generated outside the wake and propagates across the turbulent wake. Instantaneous streamwise velocity is measured on the wake centerline while peak overpressure of the shock wave is measured outside the wake after the shock wave has passed across the wake. The experiments are performed for various conditions of the cylinder wake to investigate the influences of the root-mean-squared (rms) velocity fluctuation and of the length of the turbulent region through which the shock wave propagates. The velocity fluctuation opposite to the shock propagation direction is positively correlated with the peak-overpressure fluctuation. The mean peak overpressure decreases after the shock wave propagates in the wake. These relations between velocity and peak overpressure are explained by the shock-surface deformation, where the peak overpressure is increased and decreased, respectively, for the shock surfaces with concave and convex shapes in relation to the shock propagation direction. The correlation coefficients between the velocity and peak-overpressure fluctuations and the rms peak-overpressure fluctuation increase with the rms velocity fluctuation. The rms peak-overpressure fluctuation becomes independent of the turbulent length on the shock ray once the shock wave has propagated through a sufficiently long turbulent region. The peak-overpressure fluctuation has a probability density function (PDF) close to a Gaussian shape even though the PDF of velocity fluctuations in the wake is negatively skewed.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流円柱後流と球形衝撃波の相互作用に関する実験的調査

球形の衝撃波と乱流円柱後流の相互作用を風洞実験により調査した。衝撃波は後流の外側で発生し、乱流後流を横切って伝播する。衝撃波の瞬間流速は後流中心線上で計測し，衝撃波のピーク圧力は衝撃波が後流を横切った後に後流の外側で計測する．後流の条件を変えて実験を行い，速度変動の二乗平均平方根と衝撃波が伝搬する乱流領域の長さの影響を調べた．衝撃波の伝播方向と反対側の速度変動は、ピーク圧力変動と正の相関があることがわかった。また，衝撃波が後流に伝播した後，平均ピーク圧力は減少する．これらの速度と圧力の関係は、衝撃面の変形によって説明される。衝撃面が衝撃の伝播方向に対して凹型と凸型の場合、圧力のピーク値はそれぞれ増加、減少する。速度変動とピーク圧力変動の相関係数とrmsピーク圧力変動は、rms速度変動が大きくなるにつれて大きくなる。衝撃波が十分に長い乱流領域を伝搬すると、rms peak-overpressure変動は衝撃波上の乱流長に依存しなくなる。後流の速度変動のPDFが負に偏っていても、ピーク圧力変動はガウス型に近い確率密度関数（PDF）を持つことがわかった。