T. Shibata, T. Mochizuki, K. Nagata, T. Watanabe
Nonequilibrium dissipation scaling in fan-array-generated uniform and uniform-shear turbulence
Physics of Fluids 38, 095101 (2026)
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0341383
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Abstract
We investigate the scaling of turbulent energy dissipation in fan-array-generated turbulence under controlled mean-flow conditions. An 8 × 8 array of counter-rotating fans is used to generate flows with either an approximately uniform mean velocity or an approximately uniform mean shear. Turbulence statistics are obtained from hot-wire measurements, and the dependence of the nondimensional dissipation rate Cε on the Taylor-scale Reynolds number Reλ is examined using both conventional long-time statistics and short-time local statistics. When the streamwise rms velocity fluctuation is adopted as the characteristic velocity scale, Cε decreases with increasing Reλ in both flow configurations, broadly following nonequilibrium dissipation behavior. The local dependence is more pronounced upstream in the uniform-flow case, whereas it varies less with streamwise position in the uniform-shear case. For the uniform-shear flow, use of a velocity scale based on an approximate turbulent kinetic energy substantially weakens the local Reλ dependence. These results demonstrate that the observed local dissipation scaling in anisotropic shear turbulence depends on the velocity scale used for normalization.
日本語訳
マルチファン配列により生成された一様乱流および一様せん断乱流における非平衡散逸スケーリング
本研究では，平均流条件を制御したマルチファン配列生成乱流におけるエネルギ散逸率のスケーリングを調べた．実験には，8 × 8に配置された64台の二重反転ファンを備え，各ファン列の回転速度をパルス幅変調によって制御できる風洞装置を用いた．これにより，平均流がほぼ一様な条件と，平均速度勾配がほぼ一定の一様せん断流条件の2種類を再現した．熱線流速計による速度計測から，TaylorマイクロスケールReynolds数 Reλ や無次元エネルギ散逸率 Cε などの乱流統計量を評価した．さらに，長時間平均による大域的な統計量だけでなく，速度時系列を短時間区間に分割した局所解析を行い，各局所サブアンサンブルについて Cε を評価した．
主流方向速度変動のrms値を速度スケールとして用いた場合，一様流条件と一様せん断流条件のいずれにおいても，大域統計および局所統計の両方で Reλ の増加に伴って Cε が減少し，概ねReynolds数の逆数に比例する非平衡散逸スケーリングと整合する傾向が得られた．平均流がほぼ一様な条件では，この局所的な傾向は上流側でより明瞭であり，下流に進むにつれて弱くなった．一方，一様せん断流条件では，流れ方向位置による変化はより小さかった．
ただし，一様せん断流について，近似的な乱流運動エネルギに基づく速度スケールを用いて Cε を定義すると，大域統計では同様の減少傾向が得られる一方で，局所統計における Reλ 依存性は大幅に弱くなった．これらの結果は，マルチファン配列による乱流生成によって異なる平均流条件における散逸特性を系統的に比較できることを示すとともに，非等方なせん断乱流における局所的な散逸スケーリングが，無次元化に用いる速度スケールに敏感であることを示している．