T. Akao, T. Watanabe, K. Nagata
Spanwise confinement effects on a stably stratified shear layer
Journal of Thermal Science and Technology, 25-00210 2025

This article may be found at https://doi.org/10.1299/jtst.25-00210.

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Abstract

Direct numerical simulations (DNS) are conducted to investigate the effects of spanwise domain size on stably stratified turbulent shear layers. The focus is on the formation and spatial organization of elongated large-scale structures (ELSS), which emerge following the transition from Kelvin–Helmholtz instability and characterized by streamwise extents far exceeding the shear layer’s thickness. Simulations are conducted for a temporally developing shear layer under stable density stratification. The spanwise extent is varied, while the streamwise and vertical domain sizes are fixed. Flow visualizations, one-point statistics, energy spectra, and two-point correlation functions are used to assess the influence of spanwise confinement on the transition process and late-time turbulence characteristics. The results show that when the spanwise domain size is very small, the transition process is altered and ELSS fail to develop properly. For intermediate domain sizes, the streamwise elongation of ELSS is captured, but their meandering and spatial repetition are suppressed. Statistical analysis reveals that while the meandering of ELSS contributes to large-scale structure, the presence of multiple alternating ELSS in the spanwise direction is more critical to the overall flow statistics. These findings emphasize the importance of spanwise configurations of ELSS in the dynamics and energetics of stably stratified shear layers.

日本語訳 (DeepL翻訳)

安定成層せん断層におけるスパン方向の拘束効果

直接数値シミュレーション（DNS）を実施し、安定層流乱流せん断層における翼幅方向領域サイズの影響を調査した。焦点は、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性からの遷移後に現れ、せん断層の厚さをはるかに超える流線方向の広がりを特徴とする、細長い大規模構造（ELSS）の形成と空間的組織化にある。シミュレーションは、安定した密度層流下で時間的に発達するせん断層を対象に実施した。翼幅方向の領域サイズは変化させ、流れ方向および垂直方向の領域サイズは固定した。流れの可視化、一点統計量、エネルギースペクトル、二点相関関数を用いて、翼幅方向の閉じ込めが遷移過程および後期乱流特性に及ぼす影響を評価した。結果から、翼幅方向の領域サイズが非常に小さい場合、遷移過程が変化しELSSが適切に発達しないことが示された。中間領域サイズでは、ELSSの流線方向伸長は捉えられるが、蛇行と空間的反復は抑制される。統計解析により、ELSSの蛇行が大規模構造に寄与する一方、翼幅方向に複数の交互ELSSが存在することが流れの統計特性全体にとってより重要であることが明らかになった。これらの知見は、安定成層せん断層の力学とエネルギー学において、ELSSの翼幅方向構成が重要であることを強調している。