T. Katagiri, T. Watanabe, K. Nagata
Statistical properties of a model of a turbulent patch arising from a breaking internal wave
Physics of Fluids, 33 055107 2021
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0046832

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Abstract

The turbulent patch arising from internal gravity wave breaking is investigated with direct numerical simulation of a stably stratified flow over a two-dimensional hill. The turbulent patch is distinguished from the non-turbulent wave region with potential vorticity. The turbulent patch is highly intermittent, and its location fluctuates with space and time. The buoyancy Reynolds number slowly decays with time in the turbulent patch and the mixing efficiency stays around 0.2. The turbulent patch is separated from the non-turbulent wave region by a turbulent/non-turbulent interfacial (TNTI) layer, whose thickness is about five times the Kolmogorov scale. The kinetic energy dissipation rate also sharply decreases from the turbulent to the wave region while the potential energy dissipation rate has a large peak within the TNTI layer. Both shear and stable stratification are strong in the upper area of the turbulent patch. On the other hand, the lower area has a small mean density gradient, i.e., weak stratification, which is related to the strong intermittency of the turbulent patch in the lower area. Furthermore, weak stratification in the lower area results in a low gradient Richardson number, which is below the critical value for the shear instability, and the roller vortex appears. The outer edge of the turbulent patch aligns with the perimeter of the roller vortex, and the vortex affects the spatial distribution of the turbulent patch.

日本語訳 (DeepL翻訳)

砕波した内部波から発生する乱流パッチモデルの統計的性質

内部重力波の砕波によって生じる乱流パッチを，2次元の丘陵上の安定成層流の直接数値シミュレーションによって調べた．乱流パッチはポテンシャル渦度を持つ非乱流波動領域と区別される。乱流パッチは非常に間欠的であり、その位置は空間的、時間的に変動する。乱流パッチでは浮力レイノルズ数は時間とともにゆっくりと減少し、混合効率は0.2程度にとどまる。乱流パッチは非乱流波浪領域から厚さコルモゴロフスケールの5倍程度の乱流・非乱流界面（TNTI）層で隔てられている。運動エネルギー散逸率も乱流領域から波浪領域へ向かって急激に減少するが、位置エネルギー散逸率はTNTI層内で大きなピークを持つ。乱流パッチの上部ではシアーと安定成層がともに強い。一方、下部領域では平均密度勾配が小さく、すなわち成層が弱い。これは、下部領域での乱流パッチの強い間欠性に関連している。さらに、下部領域の成層が弱いため、勾配リチャードソン数が低く、シアー不安定性の臨界値以下となり、ローラー渦が出現する。乱流パッチの外縁はローラー渦の外周に一致し、渦は乱流パッチの空間分布に影響を与える。

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M. Hayashi, T. Watanabe, K. Nagata
The relation between shearing motions and the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet
Physics of Fluids, 33 055126 2021
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0045376

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Abstract

The relation between shearing motions and the turbulent/non-turbulent interfacial (TNTI) layer is studied with direct numerical simulation of a temporally evolving planar jet. Small-scale shear layers are detected with the triple decomposition of the velocity gradient tensor, which is decomposed into shear, rotation, and elongation tensors. The shear layers are found in the turbulent sublayer more frequently than in the turbulent core region although they hardly appear in the viscous superlayer. The shear layers undergo a biaxial strain with stretching in the shear vorticity direction and compression in the interface normal direction. This compressive strain is related to the non-turbulent fluid, which is relatively advected toward the shear layer. The shear layer thickness in the TNTI layer is well predicted by Burgers vortex layer. The velocity jump of the shear layer is about seven times the Kolmogorov velocity both in the turbulent core region and the TNTI layer. However, the layer thickness normalized by the Kolmogorov scale is about 6 in the turbulent core region and decreases in the TNTI layer, where consequently, the shear Reynolds number becomes small. The shear layers have significant contributions to the enstrophy production in the turbulent sublayer and the viscous enstrophy-diffusion toward the viscous superlayer. The shear layer and the outer edge of the TNTI layer have a curvature radius of about 50 times the Kolmogorov scale. The alignment between the shear layer orientation and the interface normal direction confirms that the shear layers near the interface are mostly parallel to the TNTI layer.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流平面噴流におけるせん断運動と乱流・非乱流界面の関係

時間発展する平面噴流の直接数値シミュレーションにより、剪断運動と乱流・非乱流界面（TNTI）層の関係を研究した。速度勾配テンソルを剪断、回転、伸長テンソルに分解する三成分分解により、小スケールの剪断層が検出される。せん断層は、粘性超層にはほとんど現れないが、乱流コア領域よりも乱流副層に多く存在することがわかった。せん断層は、せん断渦度方向に伸び、界面法線方向に圧縮される二軸性の歪みを受ける。この圧縮ひずみは、非乱流が相対的にシア層に向かって移流されることに関係している。TNTI層におけるせん断層の厚さは、Burgers渦層によってよく予測される。せん断層の速度ジャンプは、乱流コア領域とTNTI層の両方で、コルモゴロフ速度の約7倍であった。しかし、Kolmogorovスケールで正規化した層厚は乱流コア領域で約6、TNTI層で減少し、その結果、せん断レイノルズ数は小さくなった。せん断層は、乱流下層でのエンストロフィー生成と粘性超層に向かう粘性エンストロフィー拡散に大きく寄与している。せん断層とTNTI層外縁の曲率半径はKolmogorovスケールの約50倍である。せん断層の配向と界面法線方向の一致から、界面付近のせん断層はほとんどTNTI層と平行であることが確認された。

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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
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0041929

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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。

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T. Matsushima, K. Nagata, T. Watanabe
Wavelet analysis of shearless turbulent mixing layer
Physics of Fluids, 33 025109 2021
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0038132

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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。

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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
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0019784

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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。

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