Implicit large eddy simulation of passive scalar transfer in compressible planar jet

Y. Tai, T. Watanabe, K. Nagata
Implicit large eddy simulation of passive scalar transfer in compressible planar jet
International Journal for Numerical Methods in Fluids, 93 1183-1198 2021

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Abstract

Implicit large eddy simulation (ILES) of passive scalar transfer in compressible turbulence is evaluated for subsonic and supersonic turbulent planar jets. The ILES used in this study relies on fully explicit numerical schemes for spatial and temporal discretization and low-pass and shock-capturing filters used as an implicit subgrid-scale (SGS) model. The ILES results are compared with the direct numerical simulation (DNS) database of the same flows. The ILES results exhibit good agreements with the DNS for first- and second-order statistics of velocity and passive scalar. The scalar transport by turbulent velocity fluctuations is well captured by the ILES. The temporal evolution of the jet strongly depends on the jet Mach number, where a higher Mach number results in the delay of jet development. The Mach number dependence of velocity and passive scalar fields is consistent between the ILES and DNS. The low-pass filters used as the implicit SGS model contribute to the dissipation of turbulent kinetic energy and scalar variance. Under the present numerical conditions, the filters account for about 50% of the dissipation in a fully developed turbulent jet. The dissipation rate in the ILES, which is the sum of the grid-scale and SGS dissipation rates, is very close to the dissipation rate in the DNS, and the amount of the SGS dissipation is well controlled by the low-pass filters. The filters also dump numerical oscillations in the velocity field caused by strong pressure waves outside the supersonic jet at the high Mach number.

日本語訳 (DeepL翻訳)

圧縮性平面噴流におけるパッシブスカラー輸送の陰的ラージエディーシミュレーション

圧縮性乱流におけるパッシブスカラー輸送の陰的ラージエディシミュレーション（ILES）を、亜音速および超音速乱流平面噴流について評価した。この研究で用いられたILESは、空間的・時間的離散化のための完全陽解法数値スキームと、陰的サブグリッドスケール（SGS）モデルとして用いられるローパスフィルターとショックキャプチャーフィルターに依存する。ILESの結果は、同じ流れの直接数値シミュレーション(DNS)データベースと比較された。ILESの結果は、速度とパッシブスカラーの1次及び2次統計量についてDNSと良い一致を示した。乱流速度変動によるスカラー輸送は、ILESによってよく捕捉される。噴流の時間発展は噴流マッハ数に強く依存し、マッハ数が高いほど噴流の発達が遅れる。速度場とパッシブスカラー場のマッハ数依存性は、ILESとDNSの間で整合している。陰的SGSモデルとして用いたローパスフィルターは、乱流運動エネルギーとスカラー分散の散逸に寄与している。現在の数値条件下では、完全に発達した乱流噴流において、フィルターが散逸の約50%を占める。格子点スケールの散逸率とSGSの散逸率の和であるILESの散逸率は、DNSの散逸率に非常に近く、SGSの散逸量はローパスフィルターによってうまく制御されている。また、高マッハ数の超音速噴流の外側で発生する強い圧力波による速度場の数値振動をフィルターで抑制することができた。

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