「未分類」カテゴリーアーカイブ

Implicit large eddy simulation of a scalar mixing layer in fractal grid turbulence

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Implicit large eddy simulation of a scalar mixing layer in fractal grid turbulence
Physica Scripta 91(7) 74007 2016
DOI: https://doi.org/10.1088/0031-8949/91/7/074007

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Abstract

A scalar mixing layer in fractal grid turbulence is simulated by the implicit large eddy simulation (ILES) using low-pass filtering as an implicit subgrid-scale model. The square-type fractal grid with three fractal iterations is used for generating turbulence. The streamwise evolutions of the streamwise velocity statistics obtained in the ILES are in good agreement with the experimental results. The ILES results are used for investigating the development of the scalar mixing layer behind the fractal grid. The results show that the vertical development of the scalar mixing layer strongly depends on the spanwise location. Near the fractal grid, the scalar mixing layer rapidly develops just behind the largest grid bars owing to the vertical turbulent transport. The scalar mixing layer near the fractal grid also develops outside the largest grid bars because the scalar is transported between the outside and back of the largest grid bars by the spanwise turbulent transport. In the downstream region, the scalar mixing layer develops more rapidly near the grid centerline by the vertical turbulent transport and by the spanwise one which transports the scalar between the back of the largest grid bars and both the centerline and outer edge of the fractal grid. Then, the mean scalar profile becomes close to be homogeneous in the spanwise direction.

日本語訳 (DeepL翻訳)

フラクタル格子乱流におけるスカラー混合層の陰的ラージ・エディ・シミュレーション

フラクタル格子乱流中のスカラー混合層を、陰的サブグリッドスケールモデルとしてローパスフィルターを用いた陰的ラージ・エディ・シミュレーション（ILES）により解析した。乱流の生成には3回のフラクタル反復を行う正方形タイプのフラクタル格子を使用した．ILESで得られた速度統計量の流れ方向の発展は、実験結果とよく一致した。ILESの結果は、フラクタルグリッド後方のスカラー混合層の発達を調べるために使用された。その結果、スカラー混合層の鉛直方向の発達はスパン方向の位置に強く依存することがわかった。フラクタル格子近傍では、垂直方向の乱流輸送により、最大格子棒の直後でスカラー混合層が急速に発達する。また、フラクタル格子近傍のスカラー混合層は、スパン方向の乱流輸送によってスカラーが最大格子棒の外側と後ろとの間で輸送されるため、最大格子棒の外側にも発達する。下流域では、格子中心線付近では、鉛直方向の乱流輸送と、最大格子棒の背面とフラクタル格子の中心線および外縁の間でスカラーを輸送するスパン方向の乱流輸送によって、より急速にスカラー混合層が発達する。その結果, 平均スカラー分布は格子幅方向で均質に近くなる.

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Lagrangian properties of the entrainment across turbulent/non-turbulent interface layers

T. Watanabe, C. B. da Silva, Y. Sakai, K. Nagata, T. Hayase
Lagrangian properties of the entrainment across turbulent/non-turbulent interface layers
Physics of Fluids 28(3) 031701 2016
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4942959

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Abstract

Lagrangian statistics obtained from direct numerical simulations of turbulent planar jets and mixing layers are reported for the separation distance between the tracer particles at the outer edge of the turbulent/non-turbulent interface layer, and the entrained fluid particles. In the viscous superlayer (VSL) the mean square particle distance exhibits a ballistic evolution, while the Richardson-like scaling for relative dispersion prevails inside the turbulent sublayer (TSL). The results further support the existence of two different regimes within the interface layer, where small-scale outward enstrophy diffusion governs the entrained particles in the VSL, while inviscid small-scale motions govern the TSL.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流・非乱流界面層におけるエントレインメントのラグランジュ特性

乱流平面噴流と混合層の直接数値シミュレーションから得られた、乱流/非乱流界面層外縁のトレーサー粒子と、巻き込まれる流体粒子の間の距離に関するラグランジュ統計量を報告する。粘性超層(VSL)では、平均二乗粒子距離はバリスティックな変化を示すが、乱流サブレイヤー(TSL)では、相対拡散のリチャードソン的スケーリングが支配的であることがわかった。この結果は、界面層内に2つの異なる領域が存在し、VSLでは小規模な外向きエンストロフィー拡散が、TSLでは非粘性的な小スケール運動が巻き込まれる粒子を支配していることをさらに裏付けるものであった。

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Large eddy simulation study of turbulent kinetic energy and scalar variance budgets and turbulent/non-turbulent interface in planar jets

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito
Large eddy simulation study of turbulent kinetic energy and scalar variance budgets and turbulent/non-turbulent interface in planar jets
Fluid Dynamics Research 48(2) 21407 2016
DOI: https://doi.org/10.1088/0169-5983/48/2/021407

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Abstract

Spatially developing planar jets with passive scalar transports are simulated for various Reynolds (Re = 2200, 7000, and 22 000) and Schmidt numbers (Sc = 1, 4, 16, 64, and 128) by the implicit large eddy simulation (ILES) using low-pass filtering as an implicit subgrid-scale model. The budgets of resolved turbulent kinetic energy k and scalar variance $\langle {\phi }^{\prime 2}\rangle $ are explicitly evaluated from the ILES data except for the dissipation terms, which are obtained from the balance in the transport equations. The budgets of k and $\langle {\phi }^{\prime 2}\rangle $ in the ILES agree well with the DNS and experiments for both high and low Re cases. The streamwise decay of the mean turbulent kinetic energy dissipation rate obeys the power low obtained by the scaling argument. The mechanical-to-scalar timescale ratio Cϕ is evaluated in the self-similar region. For the high Re case, Cϕ is close to the isotropic value (Cϕ = 2) near the jet centerline. However, when Re is not large, Cϕ is smaller than 2 and depends on the Schmidt number. The T/NT interface is also investigated by using the scalar isosurface. The velocity and scalar fields near the interface depend on the interface orientation for all Re. The velocity toward the interface is observed near the interface facing in the streamwise, cross-streamwise, and spanwise directions in the planar jet in the resolved velocity field.

日本語訳 (DeepL翻訳)

ラージ・エディ・シミュレーションによる平面噴流の乱流運動エネルギー・スカラー分散収支と乱流・非乱流界面の研究

レイノルズ数(Re = 2200, 7000, 22 000)とシュミット数(Sc = 1, 4, 16, 64, 128)を変化させた空間発達平面噴流を、ローパスフィルターを用いた陰的サブグリッドスケールモデルとして陰的ラージエディシミュレーション (ILES) により解析した。解像された乱流運動エネルギーkとスカラー分散の収支は、輸送方程式のバランスから得られる散逸項を除いて、ILESデータから陽的に評価される。ILESの乱流運動エネルギーとスカラー分散の収支は、Reが高い場合と低い場合の両方でDNSと実験とよく一致した。平均乱流運動エネルギー散逸率の流線方向の減衰は、スケーリング議論によって得られたべき乗則に従う。流れ場とスカラー場のタイムスケール比Cϕを自己相似的な領域で評価した。Re が高い場合、Cφ はジェット中心線付近で等方性の値 (Cφ = 2) に近くなる。しかし、Reが大きくない場合、Cφは2より小さくなり、シュミット数に依存する。T/NT 界面についても、スカラー等値面を用いて調査した。界面近傍の速度場とスカラー場は、すべてのReで界面方位に依存する。解像された速度場では、平面噴流の流線方向、横断方向、およびスパン方向に面する界面近傍で、界面に向かう速度が観測された。

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LES-Lagrangian particle method for turbulent reactive flows based on the approximate deconvolution model and mixing model

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
LES-Lagrangian particle method for turbulent reactive flows based on the approximate deconvolution model and mixing model
Journal of Computational Physics 294 127-148 2015
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.03.038

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Abstract

We propose a numerical method for turbulent reactive flows using a large eddy simulation (LES) based on the approximate deconvolution model (ADM). LES based on the ADM is combined with a Lagrangian notional particle (LP) method for computing reactive flows without using models for chemical source terms. In the LP method, values of scalars are assigned to each particle. The evolutions of Lagrangian particles in physical and scalar composition spaces are modeled by using the mixing model for molecular diffusion and the resolved velocity field of LES. We also propose a particles-interaction mixing model using a mixing volume concept, in which the mixing timescale is determined by relating the decay of scalar variance in the mixing volume to the scalar dissipation rate. The LES–LP method based on the ADM and the mixing model is applied to a planar jet with a second-order reaction for testing the numerical method. The statistics obtained by the LES–LP method are compared with the direct numerical simulation data. The results show that the evolutions of Lagrangian particles are well modeled in the LES–LP method by using the resolved velocity and the mixing model, and this method can accurately predict the statistical properties of reactive scalars. The mixing timescale depends on the distance among the Lagrangian particles. It is also shown that the present mixing model can implicitly take into account the effect of distance among the particles by adjusting the mixing timescale without using any model parameters.

日本語訳 (DeepL翻訳)

近似デコンボリューションモデルと混合モデルに基づく反応性乱流のLES-ラグランジュ粒子法

反応性乱流の数値計算法として、近似デコンボリューションモデル（ADM）に基づくラージ・エディ・シミュレーション（LES）を用いる方法を提案する。ADMに基づくLESをラグランジュ粒子法（LP法）と組み合わせることで、化学反応項のモデルを使用せずに反応流を計算することができる。LP 法では，各粒子にスカラー値を割り当てる．物理空間とスカラー組成空間におけるラグランジュ粒子の発展は、分子拡散の混合モデルとLESの分解速度場を用いてモデル化される。また、混合体積の概念を用いた粒子間相互作用混合モデルを提案し、混合体積におけるスカラー分散の減衰をスカラー散逸率に関連付けることにより、混合のタイムスケールを決定する。このADMと混合モデルに基づくLES-LP法を、数値計算手法の検証のために、2次反応を伴う平面噴流に適用した。LES-LP法によって得られた統計量を直接数値シミュレーションのデータと比較した。その結果、LES-LP法では、分解された速度と混合モデルを用いることにより、ラグランジュ粒子の発展がよくモデル化されており、この方法は反応性スカラーの統計的特性を正確に予測することができることが示された。また、混合のタイムスケールはラグランジュ粒子間の距離に依存することがわかった。また、本混合モデルは、モデルパラメータを用いることなく、混合タイムスケールを調整することにより、粒子間距離の影響を暗黙的に考慮できることが示された。

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Turbulent mixing of passive scalar near turbulent and non-turbulent interface in mixing layers

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Turbulent mixing of passive scalar near turbulent and non-turbulent interface in mixing layers
Physics of Fluids 27 085109 2015
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4928199

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Abstract

A direct numerical simulation of a temporally developing mixing layer with a passive scalar transport is performed for various Schmidt numbers (Sc = 0.25, 1, 4, and 8). Turbulent mixing is investigated near the turbulent/non-turbulent interface (TNTI), which is a layer consisting of the turbulent sublayer (TSL) and viscous superlayer (VSL). The irrotational boundary, which is close to the outer edge of the TNTI layer, is detected as the isosurface of small vorticity magnitude. The movement of fluid elements relative to the irrotational boundary movement is analyzed. Once the non-turbulent fluid is entrained into the VSL across the irrotational boundary by the viscous diffusion of vorticity, the fluid moves away from the irrotational boundary in the VSL in the normal direction of the irrotational boundary. After the fluid reaches the TSL, it is transported in the tangential direction of the irrotational boundary and is mixed with the fluid coming from the turbulent core (TC) region. The boundary between the TSL and VSL roughly separates the region (VSL) mostly consisting of the fluid entrained from the non-turbulent flow from the region (TSL) where the fluids from both the TC and non-turbulent regions coexist. Therefore, the scalar value in the VSL is close to the non-turbulent value especially for high Sc cases. Because of a large difference in the scalar between the TSL and VSL, a peak value of the conditional mean scalar dissipation rate appears near the boundary between the TSL and VSL independently of Sc.

日本語訳 (DeepL翻訳)

混合層における乱流・非乱流界面近傍でのパッシブスカラーの乱流混合

パッシブスカラー輸送を伴う時間発展混合層の直接数値シミュレーションを様々なシュミット数（Sc = 0.25, 1, 4, 8）に対して実施した。乱流混合は、乱流下層(TSL)と粘性超層(VSL)からなる乱流/非乱流界面(TNTI)付近で調査される。TNTI層の外縁に近いirrotational boundaryは、渦度の大きさが小さい等値面として検出される。このirrotational boundary運動と相対する流体要素の運動が解析される。非乱流の流体が渦度の粘性拡散によってirrotational boundaryを越えてVSLに巻き込まれると、流体はVSL内でirrotational boundaryの法線方向に遠ざかるように移動する。TSL に到達した流体は回転境界の接線方向に輸送され，乱流コア (TC) 領域から運ばれてくる流体と混合される．TSL と VSL の境界は，非乱流から巻き込まれた流体が大部分を占める領域 (VSL) と，TC と非乱流の両方の流体が混在する領域 (TSL) に大別される．そのため，VSL のスカラー値は，特に高 Sc の場合，非乱流の値に近くなる．TSL と VSL のスカラー差が大きいため，条件付き平均スカラー散逸率は Sc によらず TSL と VSL の境界付近にピークが現れる．

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Conditional statistics in a planar liquid jet with a second-order chemical reaction

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, T. Kubo
Conditional statistics in a planar liquid jet with a second-order chemical reaction
International Journal of Heat and Mass Transfer 83, 768-780 2015
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.12.008

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Abstract

Conditional statistics, conditioned on mixture fraction, are experimentally investigated in a planar liquid jet with a second-order isothermal chemical reaction. Reactants A and B are contained in the jet and ambient flows, respectively, and are supplied into the test section under the non-premixed condition. Streamwise velocity, mixture fraction and concentrations of all reactive species are simultaneously measured by using an I-type hot-film probe and an optical fibre probe based on light absorption spectrometry. The cross-streamwise profiles of conditional mean concentrations and conditional mean reaction rate show that the conditional mean concentrations and the conditional mean reaction rate near the jet exit change with the cross-streamwise position, whereas they are independent of the cross-streamwise position in the downstream regions. On the jet centreline, the conditional mean reaction rate has a peak value on the condition that the conditional mean concentration of product R has a peak value. A comparison between the conditional mean reaction rate and the covariance of conditional concentration fluctuations shows that the covariance of conditional concentration fluctuations is so small that a first moment closure model for the conditional mean reaction rate is valid. The conditional mean streamwise velocity is almost linear to the mixture fraction for small mixture fraction fluctuations. The conditional scalar dissipation rate is calculated from the budget of the conditional moment closure equation. The results show that the conditional scalar dissipation rate has a single peak value in the upstream region, whereas in the downstream region, it has two peaks for the large and small mixture fraction values. The conventional mean scalar dissipation rate is calculated from the probability density function of the mixture fraction and the conditional scalar dissipation rate. The conventional mean scalar dissipation rate on the jet centreline decreases in the downstream direction as (where is the distance from the virtual origin), which is almost the same as that expected from scaling arguments.

日本語訳 (DeepL翻訳)

2次化学反応を伴う平面液体噴流における条件付き統計量

2 次の等温化学反応を伴う平面液体噴流において，混合比率を条件とした条件付き統計量を実験的に調査した．反応物質AおよびBはそれぞれ噴流および周囲流に含まれ，予混合されていない状態でテストセクションに供給される．I型ホットフィルムプローブと光ファイバープローブを用いて，流速，混合比率，反応種濃度を同時に測定した．条件付き平均濃度と条件付き平均反応速度の流線方向分布は、噴流出口付近では流れ方向の位置によって変化するが、下流域では流れ方向の位置には依存しないことが示された。噴流中心線上では，生成物Rの条件付き平均濃度がピーク値を持つことを条件に，条件付き平均反応速度がピーク値を持つ．条件付き平均反応率と条件付き濃度変動の共分散を比較すると、条件付き濃度変動の共分散は非常に小さく、条件付き平均反応率に対する一次モーメントクロージャーモデルが有効であることがわかる。条件付き平均流速は、混合率変動が小さい場合、混合率に対してほぼ線形であることがわかる。条件付きスカラー散逸率は、条件付きモーメントクロージャー方程式の予算から計算される。その結果、条件付きスカラー散逸率は上流域では一つのピーク値を持つが、下流域では混合割合の値が大きい場合と小さい場合で二つのピークを持つことが示された。混合比率と条件付きスカラー散逸率の確率密度関数から、平均スカラー散逸率を算出した。噴流中心線上の平均スカラー散逸率は、下流方向に（ここで仮想原点からの距離を表す）として減少し、これはスケーリング論から予想されるものとほぼ同じであった。

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Mixing and chemical reaction at high Schmidt number near turbulent/nonturbulent interface in planar liquid jet

T. Watanabe, T. Naito, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito
Mixing and chemical reaction at high Schmidt number near turbulent/nonturbulent interface in planar liquid jet
Physics of Fluids 27 035114 2015
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4915510

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Abstract

This study investigates the mixing of reactive species at a high Schmidt number (Sc ≈ 600) near the turbulent/nonturbulent (T/NT) interface in a planar liquid jet with a chemical reaction A + B → R. Reactants A and B are supplied from the jet and ambient flows, respectively. An I-type hot-film probe and optical fiber probe are used for the simultaneous measurements of the streamwise velocity, mixture fraction, and concentrations of all reactive species and for detecting the T/NT interface. Statistics conditioned on the time elapsed after interface detection are analyzed. The conditional mean mixture fraction and concentrations change sharply near the interface. The widths of these changes are independent of the chemical species. The conditional statistics reveal the dependence of the chemical reaction on the interface orientation. The segregation intensity near the interface shows that the mixing state of the two reactants also depends on the interface orientation. However, the large reaction rate near the interface is related to the large concentration of reactant A rather than the mixing state, because reactant A supplied from the jet tends to be deficient near the interface. Near the interface where the reaction rate is large, the concentration of the chemical product is also large. The difference in the product concentration between the different interface orientations is larger for the infinitely fast reaction (as investigated by using the equilibrium limit) than the finite Damköhler number case, and the dependence of the chemical reaction on the interface orientation is expected to be significant for a fast chemical reaction.

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平面液体噴流の乱流・非乱流界面近傍における高シュミット数域での混合と化学反応

本研究では，化学反応 A + B → R を伴う平面液体噴流の乱流・非乱流界面付近の高シュミット数 (Sc ≈ 600) における反応種の混合を調査した．I 型ホットフィルムプローブと光ファイバープローブを用いて，流速，混合比率，全反応種の濃度を同時計測し，T/NT 界面の検出を行った．界面検出後の経過時間で条件付けした統計量を解析した。条件付き平均混合比率と濃度は界面近傍で急激に変化した。これらの変化の幅は化学種に依存しない。条件付き統計量から、化学反応の界面方向への依存性が明らかになった。界面近傍の分離度から、2つの反応物の混合状態も界面方位に依存することがわかった。しかし、界面付近で反応速度が大きいのは、混合状態よりも反応物Aの濃度が大きいことに関係しており、噴流から供給された反応物Aは界面付近で不足する傾向があるためである。反応速度が大きい界面付近では、化学生成物の濃度も大きくなる。界面方向の違いによる生成物濃度の差は、有限ダムケーラー数の場合よりも無限高速反応（平衡極限を用いて調べた）の方が大きく、速い化学反応では界面方向への依存性が大きいことが予想される。

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Reactive scalar field near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet with a second-order chemical reaction

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Reactive scalar field near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet with a second-order chemical reaction
Physics of Fluids 26 105111 2014
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4900403

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Abstract

The reactive scalar field near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface is analyzed using a direct numerical simulation (DNS) of a planar jet with an isothermal second-order chemical reaction A + B → P. Reactants A and B are supplied from the jet and ambient flows, respectively. The DNS of the reactive jet is performed for Damköhler numbers Da = 0.1, 1, and 10. A visualization of the T/NT interface shows that most of the product P is contained in the turbulent region. The conditional mean concentrations of the reactive species change sharply near the T/NT interface. The width of the jump in the conditional mean concentration is almost independent of the chemical species and the Damköhler number. For the slow reaction (Da = 0.1), the conditional average of the chemical production rate gradually increases from the non-turbulent region toward the turbulent region. In contrast, the conditional average of the production rate for Da = 1 and 10 has a large peak value slightly inside the T/NT interface. The chemical reaction near the T/NT interface strongly depends on the interface orientation. The reactant A is deficient near the T/NT interface. The production rate is large near the interface toward which the deficient reactant A is frequently transported by the velocity fields. The transport due to the velocity relative to the interface movement strongly depends on the relationship between the interface geometry and the mean flow field. The dependence of the chemical reaction on the interface orientation becomes strong as Da increases. When the interface propagates toward the non-turbulent region, the reactant A and product P are contained in the turbulent region although the molecular diffusion and reaction contribute to the increase in the concentrations of A (non-reactive case) and P in the non-turbulent region. In contrast, the interface propagation toward the turbulent region leaves the fluids containing A and P in the non-turbulent region.

日本語訳 (DeepL翻訳)

二次の化学反応を伴う平面噴流の乱流・非乱流界面近傍における反応性スカラー場

乱流/非乱流界面近傍の反応スカラー場を、恒温二次化学反応A + B → Pを伴う平面噴流の直接数値シミュレーション(DNS)を用いて解析した。反応噴流のDNSは、Damköhler数Da = 0.1, 1, 10に対して行われた。T/NT界面の可視化により、生成物Pのほとんどが乱流領域に含まれることがわかった。反応種の条件付き平均濃度は、T/NT界面付近で急激に変化する。条件付き平均濃度のジャンプの幅は、化学種やダムケーラー数にほとんど依存しない。遅い反応(Da = 0.1)では、化学生成速度の条件付き平均値は非乱流領域から乱流領域に向かって徐々に増加する。一方、Da = 1 と 10 の条件付き平均値は、T/NT 界面のやや内側で大きなピークを持つ。T/NT 界面近傍の化学反応は、界面の向きに強く依存する。反応物 A は T/NT 界面近傍で不足する。反応物AはT/NT界面近傍で不足し、界面近傍で生成率が大きく、不足した反応物Aは速度場によって頻繁に輸送される。界面移動に対する速度による輸送は、界面形状と平均流場の関係に強く依存する。化学反応の界面配向への依存性は、Daが大きくなるほど強くなる。界面が非乱流領域に向かって伝播する場合、分子拡散と反応により非乱流領域でのA（非反応の場合）とPの濃度上昇に寄与するものの、反応物Aと生成物Pは乱流領域に含まれることになる。一方、乱流領域に向かって界面が伝播することで、AやPを含む流体が非乱流領域に残される。

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Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow
Physics of Fluids 26 105103 2014
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4898208

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Abstract

The enstrophy (ω2/2) and passive scalar (ϕ) transport near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface is investigated using direct numerical simulation of a planar jet with passive scalar transport. To take into account the interface movement, we derive the transport equations for the enstrophy and the scalar in a local coordinate system moving with the T/NT interface. The characteristics of the T/NT interface are analyzed for three interface orientations. The cross-streamwise edge and the leading edge face the cross-streamwise and streamwise directions, respectively, and the trailing edge is opposite to the leading edge. The propagation velocity of the T/NT interface is derived from the enstrophy transport equation in the local coordinate system. The T/NT interface propagates toward the non-turbulent region on average at the cross-streamwise and leading edges, whereas the trailing edge frequently propagates into the turbulent region. The conditional average of the enstrophy transport equation in the local coordinate system shows that viscous diffusion transports, toward the non-turbulent region, enstrophy, that is advected from the turbulent core region or is produced slightly inside the T/NT interface. Viscous diffusion contributes greatly to the enstrophy growth in the region very close to the T/NT interface. The transport equation for the scalar ϕ in the local coordinate system is used to analyze the scalar transport near the T/NT interface. The conditional average of the advection term shows that ϕ in the non-turbulent region is frequently transported into the turbulent region across the cross-streamwise and leading edges by interface propagation toward the non-turbulent region. In contrast, ϕ in the turbulent region is frequently transported into the non-turbulent region across the trailing edge. The conditional averages of the advection and molecular diffusion terms show that both the interface propagation and the molecular diffusion contribute to the scalar transport across the T/NT interface.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流平面噴流における乱流／非乱流界面近傍のエンストロスとパッシブスカラ輸送の研究

乱流/非乱流(T/NT)界面近傍のエンストロイー(ω2/2)とパッシブスカラー(φ)の輸送を、パッシブスカラー輸送を伴う平面噴流の直接数値シミュレーションによって調べた。界面の移動を考慮し、T/NT界面とともに移動する局所座標系におけるエンストロスとスカラーの輸送方程式を導出した。T/NT界面の特性を、3つの界面方向について解析した。T/NT界面の向きは、流路を横断する方向のエッジと流路に沿った方向のリーディングエッジ、そしてリーディングエッジとは反対方向のトレーリングエッジである。T/NT界面の伝播速度は、局所座標系におけるエンストロフィー輸送方程式から導かれる。T/NT界面は，流れ方向の端と前縁では平均して非乱流領域に向かって伝播するが，後縁では頻繁に乱流領域へ伝播することがわかった．局所座標系におけるエンストロフィー輸送方程式の条件平均から、粘性拡散が、乱流コア領域から移流されたエンストロフィーやT/NT界面の内部でわずかに発生したエンストロフィーを非乱流領域に向けて輸送することがわかる。粘性拡散は、T/NT界面のごく近傍の領域でのエンストロフィーの成長に大きく寄与している。T/NT界面近傍のスカラー輸送を解析するために、局所座標系でのスカラーφの輸送方程式を用いた。移流項の条件平均から、非乱流領域のφは、非乱流領域に向かっての界面伝搬により、クロスストリーム方向とリーディングエッジを越えて乱流領域に頻繁に輸送されることがわかった。一方、乱流領域のφは後縁を挟んで非乱流領域へと頻繁に輸送される。移流項と分子拡散項の条件平均から、界面伝搬と分子拡散の両方がT/NT界面のスカラー輸送に寄与していることが示された。

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Vortex stretching and compression near the turbulent/nonturbulent interface in a planar jet

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Vortex stretching and compression near the turbulent/nonturbulent interface in a planar jet
Journal of Fluid Mechanics 758 754-785 2014
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2014.559

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Abstract

Vortex stretching and compression, which cause enstrophy production by inviscid processes, are investigated near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface in a planar jet by using a direct numerical simulation (DNS). The enstrophy production is investigated by analysing the relationship among a vorticity vector, strain-rate eigenvectors and strain-rate eigenvalues. The statistics are calculated individually for three different interface orientations. The vorticity near the T/NT interface is oriented in the tangential direction to the interface. The enstrophy production is affected by the interface orientation because the intensity of vortex stretching depends on the interface orientation, and the alignment between the vorticity vector and the strain-rate eigenvectors is confined by the interface. The enstrophy production near the T/NT interface is analysed by considering the motion of turbulent fluid relative to that of the interface. The results show that the alignment between the interface and the strain-rate eigenvectors changes depending on the velocity field near the T/NT interface. When the turbulent fluid moves toward the T/NT interface, the enstrophy is generated by vortex stretching without being greatly affected by vortex compression. In contrast, when the turbulent fluid relatively moves away from the T/NT interface, large enstrophy reduction frequently occurs by vortex compression. Thus, it is shown that the velocity field near the T/NT interface affects the enstrophy production near the interface through the alignment between the vorticity and the strain-rate eigenvectors.

日本語訳 (DeepL翻訳)

平面噴流の乱流・非乱流界面近傍における渦の伸縮に関する研究

非粘性プロセスによるエンストロフィー生成を引き起こす渦の伸縮を、直接数値計算（DNS）を用いて平面噴流の乱流/非乱流（T/NT）界面近傍で調査した。エンストロフィーの生成は、渦度ベクトル、歪み率固有ベクトル、歪み率固有値の関係を解析することにより検討した。統計量は3つの異なる界面方向について個別に計算された。T/NT界面近傍の渦度は界面の接線方向に向いている。渦の伸縮の強さは界面の向きに依存し、渦度ベクトルとひずみ速度固有ベクトルの配置は界面によって制限されるため、エンストロフィーの生成は界面の向きに影響される。T/NT界面近傍でのエンストロスの生成について、界面に対する乱流の運動を考慮することで解析した。その結果、T/NT界面付近の速度場によって、界面とひずみ率固有ベクトルの配向が変化することがわかった。乱流がT/NT界面に向かっているときは、渦の圧縮の影響をあまり受けずに、渦の伸張によってエンストロが発生する。一方、乱流がT/NT界面から相対的に遠ざかると、渦の圧縮により大きなエンストロスの減少が頻繁に起こる。このように、T/NT界面近傍の速度場は、渦度とひずみ速度固有ベクトルの整合を通じて、界面近傍のエンストロフィー生成に影響を与えることが示された。

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