Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow
Physics of Fluids 26 105103 2014

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Abstract

The enstrophy (ω2/2) and passive scalar (ϕ) transport near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface is investigated using direct numerical simulation of a planar jet with passive scalar transport. To take into account the interface movement, we derive the transport equations for the enstrophy and the scalar in a local coordinate system moving with the T/NT interface. The characteristics of the T/NT interface are analyzed for three interface orientations. The cross-streamwise edge and the leading edge face the cross-streamwise and streamwise directions, respectively, and the trailing edge is opposite to the leading edge. The propagation velocity of the T/NT interface is derived from the enstrophy transport equation in the local coordinate system. The T/NT interface propagates toward the non-turbulent region on average at the cross-streamwise and leading edges, whereas the trailing edge frequently propagates into the turbulent region. The conditional average of the enstrophy transport equation in the local coordinate system shows that viscous diffusion transports, toward the non-turbulent region, enstrophy, that is advected from the turbulent core region or is produced slightly inside the T/NT interface. Viscous diffusion contributes greatly to the enstrophy growth in the region very close to the T/NT interface. The transport equation for the scalar ϕ in the local coordinate system is used to analyze the scalar transport near the T/NT interface. The conditional average of the advection term shows that ϕ in the non-turbulent region is frequently transported into the turbulent region across the cross-streamwise and leading edges by interface propagation toward the non-turbulent region. In contrast, ϕ in the turbulent region is frequently transported into the non-turbulent region across the trailing edge. The conditional averages of the advection and molecular diffusion terms show that both the interface propagation and the molecular diffusion contribute to the scalar transport across the T/NT interface.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流平面噴流における乱流／非乱流界面近傍のエンストロスとパッシブスカラ輸送の研究

乱流/非乱流(T/NT)界面近傍のエンストロイー(ω2/2)とパッシブスカラー(φ)の輸送を、パッシブスカラー輸送を伴う平面噴流の直接数値シミュレーションによって調べた。界面の移動を考慮し、T/NT界面とともに移動する局所座標系におけるエンストロスとスカラーの輸送方程式を導出した。T/NT界面の特性を、3つの界面方向について解析した。T/NT界面の向きは、流路を横断する方向のエッジと流路に沿った方向のリーディングエッジ、そしてリーディングエッジとは反対方向のトレーリングエッジである。T/NT界面の伝播速度は、局所座標系におけるエンストロフィー輸送方程式から導かれる。T/NT界面は，流れ方向の端と前縁では平均して非乱流領域に向かって伝播するが，後縁では頻繁に乱流領域へ伝播することがわかった．局所座標系におけるエンストロフィー輸送方程式の条件平均から、粘性拡散が、乱流コア領域から移流されたエンストロフィーやT/NT界面の内部でわずかに発生したエンストロフィーを非乱流領域に向けて輸送することがわかる。粘性拡散は、T/NT界面のごく近傍の領域でのエンストロフィーの成長に大きく寄与している。T/NT界面近傍のスカラー輸送を解析するために、局所座標系でのスカラーφの輸送方程式を用いた。移流項の条件平均から、非乱流領域のφは、非乱流領域に向かっての界面伝搬により、クロスストリーム方向とリーディングエッジを越えて乱流領域に頻繁に輸送されることがわかった。一方、乱流領域のφは後縁を挟んで非乱流領域へと頻繁に輸送される。移流項と分子拡散項の条件平均から、界面伝搬と分子拡散の両方がT/NT界面のスカラー輸送に寄与していることが示された。

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