Characteristics of shearing motions in incompressible isotropic turbulence

T. Watanabe, K. Tanaka, K. Nagata
Characteristics of shearing motions in incompressible isotropic turbulence
Physical Review Fluids, 5 072601(R) 2020

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Abstract

Regions with shearing motions are investigated in isotropic turbulence with the triple decomposition, by which a velocity gradient tensor is decomposed into three components representing an irrotational straining motion, a rotating motion, and a shearing motion. A mean flow around the shearing motions shows that a thin shear layer is sustained by a biaxial strain, which is consistent with Burgers' vortex layer. The thickness of each shear layer is well predicted by Burgers' vortex layer. A comparison between genuine turbulence and a random velocity field confirms that the biaxial strain acting on the shear is a dynamical consequence from the Navier-Stokes equations rather than from a kinematic relation. The interplay between the shear and biaxial strain causes enstrophy production and strain self-amplification. For a wide range of Reynolds number, the shear is strong enough for the instability to cause a roll-up of the shear layer, where the perturbation grows much faster than large-scale turbulent motions.

日本語訳 (DeepL翻訳)

非圧縮性等方性乱流におけるせん断運動の特性について

等方性乱流において、速度勾配テンソルを回転歪み運動、回転運動、剪断運動の3成分に分解する三成分分解により、剪断運動を持つ領域を調べた。剪断運動周辺の平均流は、薄い剪断層が二軸歪みによって維持されていることを示し、これはBurgersの渦層と一致する。それぞれの剪断層の厚さはBurgersの渦層によってよく予測される。本物の乱流とランダムな速度場の比較から、せん断に働く二軸性のひずみは運動論的関係からではなく、Navier-Stokes方程式からの力学的な帰結であることが確認された。せん断と二軸性ひずみの相互作用は、エンストロフィーの生成とひずみの自己増幅を引き起こす。広いレイノルズ数範囲において、せん断は不安定性がせん断層のロールアップを引き起こすのに十分強く、そこでは摂動は大規模乱流運動よりはるかに速く成長する。

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