A localized turbulent mixing layer in a uniformly stratified environment

T. Watanabe, J. J. Riley, K. Nagata, R. Onishi, K. Matsuda
A localized turbulent mixing layer in a uniformly stratified environment
Journal of Fluid Mechanics 849 245-276 2018

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This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2018.400.

Abstract

Localized turbulence bounded by non-turbulent flow in a uniformly stratified environment is studied with direct numerical simulations of stably stratified shear layers. Of particular interest is the turbulent/non-turbulent interfacial (TNTI) layer, which is detected by identifying the turbulent region in terms of its potential vorticity. Fluid near the outer edge of the turbulent region gains potential vorticity and becomes turbulent by diffusion arising from both viscous and molecular effects. The flow properties near the TNTI layer change depending on the buoyancy Reynolds number near the interface, RebI. The TNTI layer thickness is approximately 13 times the Kolmogorov length scale for large RebI (RebI≳30), consistent with non-stratified flows, whereas it is almost equal to the vertical length scale of the stratified flow, lvI=lhIRe−1/2 (here lhI is the horizontal length scale near the TNTI layer, and Re is the Reynolds number), in the low-RebI regime (RebI≲2). Turbulent fluid is vertically transported towards the TNTI layer when RebI is large, sustaining the thin TNTI layer with large buoyancy frequency and mean shear. This sharpening effect is weakened as RebI decreases and eventually becomes negligible for very low RebI. Overturning motions occur near the TNTI layer for large RebI. The dependence on buoyancy Reynolds number is related to the value of RebI near the TNTI layer, which is smaller than the value deep inside the turbulent core region. An imprint of the internal gravity waves propagating in the non-turbulent region is found for vorticity within the TNTI layer, inferring an interaction between turbulence and internal gravity waves. The wave energy flux causes a net loss of the kinetic energy in the turbulent core region bounded to the TNTI layer, and the amount of kinetic energy extracted from the turbulent region by internal gravity waves is comparable to the amount dissipated in the turbulent region.

日本語訳 (DeepL翻訳)

一様成層環境下における局所的な乱流混合層

一様に成層した環境における非乱流に囲まれた局所的な乱流を、安定に成層したせん断層の直接数値シミュレーションによって調査した。特に、乱流／非乱流界面（TNTI）層は、そのポテンシャル渦度から乱流領域を同定することで検出される。乱流領域の外縁に近い流体は、粘性効果や分子効果による拡散によって、ポテンシャル渦度を獲得し乱流となる。TNTI層近傍の流動特性は、界面近傍の浮力レイノルズ数RebIに依存して変化する。TNTI層の厚さは、RebIが大きい（RebI >30）場合はKolmogorov長尺の約13倍であり、非成層流と一致するが、低RebI領域（RebI < 2）では成層流の垂直長さスケール lvI=lhIRe^-1/2 （ここでlhIはTNTI層付近の水平方向の長さスケール、Reはレイノルズ数）とほぼ等しくなった。RebIが大きいと乱流はTNTI層に向かって鉛直輸送され、大きな浮力周波数と平均せん断を持つ薄いTNTI層が維持される。このシャープニング効果はRebIが小さくなるにつれて弱くなり、最終的には非常に低いRebIでは無視できる程度になる。RebIが大きい場合には、TNTI層付近で転覆運動が発生する。浮力レイノルズ数依存性はTNTI層近傍のRebIの値と関連しており、この値は乱流コア領域深部より小さい。非乱流領域で伝播する内部重力波の痕跡がTNTI層内の渦度に対して見られ、乱流と内部重力波の相互作用が推察される。波動エネルギー束は、TNTI層に囲まれた乱流コア領域で運動エネルギーの正味の損失を引き起こし、内部重力波が乱流領域から抽出した運動エネルギー量は、乱流領域で散逸した量と同程度であることがわかった。

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