Local nonequilibrium dissipation scaling in compressible homogeneous isotropic turbulence
Y. Nishimoto, K. Nagata, T. Watanabe
Physics of Fluids 38 55118 2026
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0330198
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Abstract
We quantify the nondimensional turbulent kinetic energy dissipation rate, Cε, in compressible homogeneous isotropic turbulence using a direct numerical simulation (DNS) database sustained by solenoidal linear forcing. Integral-scale Reynolds numbers are ReL0 = 140, 350, and 900, corresponding to Taylor–microscale Reynolds numbers Reλ ≃ 40–150, and the turbulent Mach number spans MT0 = 0.3–0.9 in each set. The velocity field is decomposed into solenoidal and dilatational components via the Helmholtz decomposition, and dissipation measures are evaluated consistently for each component. Global statistics of the nondimensional dissipation rate generally agree with those reported in previous studies. A subdomain-based analysis provides a local characterization of dissipation scaling in compressible isotropic turbulence. When conditioned on locally evaluated Reλ, conditional averages of Cε collapse across all cases and follow nonequilibrium scaling, Cε ∼ Reλ−1, and the solenoidal contribution obeys the same scaling, Cεs ∼ Reλ−1. In contrast, the dilatational contribution is only weakly dependent on local Reλ and instead correlates with local compressibility, increasing monotonically with the dilatational turbulent Mach number. These results demonstrate that nonequilibrium dissipation is fundamentally local and that compressibility enters primarily through intermittent dilatational dynamics.
日本語訳
圧縮性一様等方性乱流における局所的な非平衡散逸スケーリング
我々は、ソレノイダル線形強制により維持された直接数値計算（DNS）データベースを用いて、圧縮性一様等方性乱流における無次元乱流運動エネルギー散逸率 Cε を定量化する。積分スケールに基づくレイノルズ数は ReL0 = 140, 350 および 900 であり、対応するTaylorマイクロスケールレイノルズ数は Reλ ≃ 40–150 である。また、各レイノルズ数の系列において乱流Mach数は MT0 = 0.3–0.9 の範囲にわたる。速度場はHelmholtz分解によりソレノイダル成分と膨張成分に分解され、各成分について散逸量を一貫して評価する。無次元散逸率のグローバル統計は、既往研究で報告された結果と概ね一致する。部分領域に基づく解析により、圧縮性等方性乱流における散逸スケーリングの局所的特徴付けを行う。局所的に評価された Reλ で条件付けると、Cε の条件付き平均は全てのケースでよく崩壊し、非平衡スケーリング Cε ∼ Reλ−1 に従う。また、ソレノイダル寄与も同じスケーリング Cεs ∼ Reλ−1 に従う。一方、膨張寄与は局所 Reλ には弱くしか依存せず、むしろ局所圧縮性と相関し、膨張乱流Mach数とともに単調に増加する。これらの結果は、非平衡散逸が本質的に局所的な現象であり、圧縮性は主として間欠的な膨張運動を通じて現れることを示している。