Hairpin vortices and highly elongated flow structures in a stably-stratified shear layer

T. Watanabe, J. J. Riley, K. Nagata, K. Matsuda, R. Onishi
Hairpin vortices and highly elongated flow structures in a stably-stratified shear layer
Journal of Fluid Mechanics, 878 37-61 2019

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This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2019.577.

Abstract

Turbulent structures in stably stratified shear layers are studied with direct numerical simulation. Flow visualization confirms the existence of hairpin vortices and highly elongated structures with positive and negative velocity fluctuations, whose streamwise lengths divided by the layer thickness are O(10^0) and O(10^1), respectively. The flow at the wavelength related to these structures makes a large contribution to turbulent kinetic energy. These structures become prominent in late time, but with small buoyancy Reynolds numbers indicating suppression of turbulent mixing. Active turbulent mixing associated with the hairpin vortices, however, does occur. The structures and the vertical profile of the integral shear parameter show connections between stable stratified shear layers and wall-bounded shear flows.

日本語訳 (DeepL翻訳)

安定密度成層下のせん断層におけるヘアピン渦と極めて長い流れ構造

安定成層中のせん断層の乱流構造について、直接数値シミュレーションにより調査した。流れの可視化により、ヘアピン渦や正負の速度変動を持つ非常に細長い構造の存在が確認され、その長さを層厚で割った値はそれぞれ O(10^0), O(10^1) であった。これらの構造に関連する波長の流れは乱流運動エネルギーに大きく寄与している。これらの構造は時刻が遅くなると顕著になるが、浮力レイノルズ数は小さく、乱流混合が抑制されていることを示唆する。しかし、ヘアピン渦に関連した活発な乱流混合は発生している。これらの構造と積分シアパラメータの鉛直分布は、安定成層シア層と 壁面上のせん断乱流の関連を示している。

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