Dual-plane turbulent jets and their non-Gaussian velocity fluctuations

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Y. Zhou, K. Nagata, Y. Sakai, T. Watanabe
Dual-plane turbulent jets and their non-Gaussian velocity fluctuations
Physical Review Fluids 3(12) 124604 2018

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Abstract

Direct numerical simulations are performed to investigate the spatial evolution of dual-plane jet flows with different separation lengths between the two jets. Based on the scaling law and the probability density function of the turbulent/nonturbulent interface of a single plane jet, the jet-interaction length scale X∗ is introduced. It is shown that for different separation lengths, the streamwise evolutions of various statistics along the centerline all scale with X∗. This finding may explain the linear relationship between the location of the merge point and the separation length. Of particular interest is the evolution of the probability distributions and energy spectra of the streamwise velocity fluctuations in the developing region. Similar to the case of grid-generated turbulence, the probability distribution of the velocity fluctuations can also be non-Gaussian in a dual-plane jet flow. For all flow configurations considered, close to the inlet (e.g., X/X∗≃1.0) where the two jets have not yet joined together, the skewness of the streamwise velocity fluctuations is negative. In contrast, at a further downstream location (e.g., X/X∗≃2.0), where the turbulence intensity and mean pressure reach their maximum values, the skewness takes a positive value instead. Our study suggests that there are two different physical mechanisms responsible for the formation of the intense oscillations of the velocity fluctuations. The negative value of the skewness in the upstream region is caused by the large-scale movement of the contrarotary vortices, whereas the streamwise position of the positive skewness appears to be correlated to the location of peak intensity near (or after) the merging of the jets.

日本語訳 (DeepL翻訳)

二つの乱流平面噴流とその非ガウス的速度揺らぎ

直接数値シミュレーションを行い、2つの噴流の分離長が異なる2面ジェット流の空間発展を調べる。スケーリング則と単一平面ジェットの乱流・非乱流界面の確率密度関数に基づき、ジェット-相互作用長さスケールX∗を導入した。その結果、分離長が異なる場合、中心線に沿った様々な統計量の流線方向の変化は、すべてX∗でスケールすることが示された。この発見は、合流点の位置と分離長の間の線形関係を説明する可能性がある。特に興味深いのは, 発達領域における流速変動の確率分布とエネルギースペクトルの発達である. 格子乱流の場合と同様に、二重平面噴流でも速度揺らぎの確率分布は非ガウス的である可能性がある。考察したすべての流れの構成において、2つの噴流がまだ結合していない入口付近（例えば、X/X∗≃1.0）では、流線方向の速度変動の歪度は負になる。一方、さらに下流（X/X∗≃2.0）では、乱流強度と平均圧力が最大となり、歪度は正の値をとります。このことから、速度変動の激しい振動の形成には、2つの異なる物理的なメカニズムが存在することが示唆されます。上流域の歪度の負の値は、逆流渦の大規模な運動によるものであり、一方、流れ方向の正の歪度の位置は、噴流同士の合流付近（あるいは合流後）の強度ピークの位置と相関があるようです。

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