Characteristics of small-scale shear layers in a temporally evolving turbulent planer jet

M. Hayashi, T. Watanabe, K. Nagata
Characteristics of small-scale shear layers in a temporally evolving turbulent planer jet
Journal of Fluid Mechanics, 920 A38 2021

This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2021.459.

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Abstract

Characteristics of small-scale shear layers are studied with direct numerical simulations of a temporally evolving turbulent planar jet. The shear layers that internally exist in turbulence are detected with a tensor of shearing motion, which is extracted from a velocity gradient tensor with a triple decomposition. Flow visualization of the shear intensity confirms the existence of layer structures with intense shear. The mean flow characteristics around local maxima of the shear intensity are investigated with averages taken in the shear coordinate system, which is defined based on the shear orientation. The mean flow pattern reveals that the shear layer is formed in a biaxial strain field, which consists of extensive strain in the vorticity direction of the shear and compressive strain in the direction perpendicular to the shear layer. The velocity components associated with the shear and biaxial strain rapidly change around the shear layer. The Kolmogorov scales characterize the mean characteristics of shear layers, such as velocity jumps, thickness and the intensities of shear and biaxial strain. These quantities normalized by the Kolmogorov scales only weakly depend on lateral positions in the planar jet. Although the turbulent planar jet evolves under the influence of mean shear, a large number of the shear layers do not align with the mean shear direction. The typical shear layer thickness is about six times the Kolmogorov length scale. Furthermore, the shear layer thickness is well predicted by the Burgers vortex layer.

日本語訳 (DeepL翻訳)

時間発展する乱流平面噴流における微細なせん断層の特徴

時間発展する乱流平面噴流の直接数値シミュレーションにより、小規模なせん断層の特性を研究する。速度勾配テンソルから三成分分解で抽出したせん断運動テンソルを用いて、乱流内部に存在するせん断層を検出する。せん断強度の流れの可視化により、激しいせん断を伴う層構造の存在を確認することができる。せん断方向に基づき定義されたせん断座標系で平均をとり、せん断強度の局所的な最大値付近の平均流の特性を調べた。平均流のパターンから、せん断層は、せん断の渦度方向の伸長ひずみとせん断層に垂直な方向の圧縮ひずみからなる2軸ひずみ場において形成されていることが明らかになった。せん断および2軸ひずみに関連する速度成分は、せん断層の周囲で急速に変化する。コルモゴロフスケールは、速度のジャンプ、厚さ、せん断および二軸ひずみの強さなど、せん断層の平均的な特性を特徴づけるものである。コルモゴロフスケールで規格化されたこれらの量は、平面噴流の横方向の位置には弱くしか依存しません。乱流平面噴流は平均剪断力の影響を受けて発達するが、多くの剪断層は平均剪断力の方向と一致しない。典型的なせん断層の厚さは、コルモゴロフ長尺の6倍程度である。さらに、このせん断層の厚さは、Burgers渦層によってよく予測される。

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