Direct numerical simulation of incompressible turbulent boundary layers and planar jets at high Reynolds numbers initialized with implicit large eddy simulation

T. Watanabe, X. Zhang, K. Nagata
Direct numerical simulation of incompressible turbulent boundary layers and planar jets at high Reynolds numbers initialized with implicit large eddy simulation
Computer & Fluids, 194 104314 2019

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This article may be found at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2019.104314.

Abstract

A direct numerical simulation (DNS) initialized with an implicit large eddy simulation (ILES) is performed for temporally evolving planar jets and turbulent boundary layers. In the ILES, an initial laminar flow develops into a fully developed state of the planar jet or the boundary layer. Subsequently, the DNS is started from the flow field obtained by the ILES. This hybrid ILES/DNS methodology is tested for the planar jet and boundary layer by comparing the results with full DNS started from the initial laminar flow. The ILES results used as the initial conditions of the DNS do not possess small-scale fluctuations. However, the small-scale fluctuations in the DNS grow with time and develop well within an interval of the integral time scale, where the influences of initial conditions taken from the ILES disappear for an energy spectrum of velocity fluctuations. The DNS initialized with the ILES well reproduces small-scale characteristics of turbulence, such as Reynolds number dependence of skewness and flatness of velocity derivative and energy spectrum of velocity fluctuations in the inertial subrange and viscous range. The DNS initialized with the ILES predicts well statistics dominated by large scales, such as 1st- and 2nd-order statistics and longitudinal auto-correlation function, in agreement with previous experimental and numerical studies. Reynolds number dependence of the mean velocity, root-mean-squared velocity fluctuations, Reynolds stress, shape factor, and skin friction in the turbulent boundary layers in the present DNS are consistent with previous experimental studies. These investigations confirm advantages of applying the ILES at the transitional flow region in the DNS of turbulent shear flows at high Reynolds numbers.

日本語訳 (DeepL翻訳)

陰的ラージ・エディ・シミュレーションを初期条件とした高レイノルズ数における非圧縮性乱流境界層および平面噴流の直接数値シミュレーション

時間発展する平面噴流と乱流境界層に対して、陰的ラージ・エディ・シミュレーション（ILES）で初期化した直接数値シミュレーション（DNS）を実施した。ILESでは、初期の層流が平面噴流または境界層の完全な発達状態へと発展する。その後、ILESで得られた流れ場からDNSを開始する。このILES/DNSハイブリッド手法を、平面噴流と境界層について、初期層流から開始した完全なDNSと比較することで検証した。DNSの初期条件として使用されたILESの結果は、小スケールの変動を有していない。しかし、DNSにおける小規模な変動は時間とともに成長し、速度変動のエネルギースペクトルに対して、ILESから取られた初期条件の影響がなくなる積分時間スケールの区間でよく発達することがわかった。ILESで初期化したDNSは、慣性小領域や粘性領域における、速度変動のエネルギースペクトル、速度微分の歪度、平坦度のレイノルズ数依存性など、乱流の小スケール特性をよく再現することができた。ILESで初期化したDNSは、1次、2次統計量や縦断自己相関関数など、大きなスケールに支配された統計量をよく予測し、過去の実験や数値研究と一致した。また、乱流境界層における平均速度、二乗平均速度変動、レイノルズ応力、形状係数、摩擦のレイノルズ数依存性は、これまでの実験的研究と一致した。これらの検討により、高レイノルズ数の乱流せん断流のDNSにおいて、遷移流域にILESを適用することの利点が確認された。

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