Large eddy simulation study of turbulent kinetic energy and scalar variance budgets and turbulent/non-turbulent interface in planar jets

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito
Large eddy simulation study of turbulent kinetic energy and scalar variance budgets and turbulent/non-turbulent interface in planar jets
Fluid Dynamics Research 48(2) 21407 2016

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This article may be found at https://doi.org/10.1088/0169-5983/48/2/021407.

Abstract

Spatially developing planar jets with passive scalar transports are simulated for various Reynolds (Re = 2200, 7000, and 22 000) and Schmidt numbers (Sc = 1, 4, 16, 64, and 128) by the implicit large eddy simulation (ILES) using low-pass filtering as an implicit subgrid-scale model. The budgets of resolved turbulent kinetic energy k and scalar variance $\langle {\phi }^{\prime 2}\rangle $ are explicitly evaluated from the ILES data except for the dissipation terms, which are obtained from the balance in the transport equations. The budgets of k and $\langle {\phi }^{\prime 2}\rangle $ in the ILES agree well with the DNS and experiments for both high and low Re cases. The streamwise decay of the mean turbulent kinetic energy dissipation rate obeys the power low obtained by the scaling argument. The mechanical-to-scalar timescale ratio Cϕ is evaluated in the self-similar region. For the high Re case, Cϕ is close to the isotropic value (Cϕ = 2) near the jet centerline. However, when Re is not large, Cϕ is smaller than 2 and depends on the Schmidt number. The T/NT interface is also investigated by using the scalar isosurface. The velocity and scalar fields near the interface depend on the interface orientation for all Re. The velocity toward the interface is observed near the interface facing in the streamwise, cross-streamwise, and spanwise directions in the planar jet in the resolved velocity field.

日本語訳 (DeepL翻訳)

ラージ・エディ・シミュレーションによる平面噴流の乱流運動エネルギー・スカラー分散収支と乱流・非乱流界面の研究

レイノルズ数(Re = 2200, 7000, 22 000)とシュミット数(Sc = 1, 4, 16, 64, 128)を変化させた空間発達平面噴流を、ローパスフィルターを用いた陰的サブグリッドスケールモデルとして陰的ラージエディシミュレーション (ILES) により解析した。解像された乱流運動エネルギーkとスカラー分散の収支は、輸送方程式のバランスから得られる散逸項を除いて、ILESデータから陽的に評価される。ILESの乱流運動エネルギーとスカラー分散の収支は、Reが高い場合と低い場合の両方でDNSと実験とよく一致した。平均乱流運動エネルギー散逸率の流線方向の減衰は、スケーリング議論によって得られたべき乗則に従う。流れ場とスカラー場のタイムスケール比Cϕを自己相似的な領域で評価した。Re が高い場合、Cφ はジェット中心線付近で等方性の値 (Cφ = 2) に近くなる。しかし、Reが大きくない場合、Cφは2より小さくなり、シュミット数に依存する。T/NT 界面についても、スカラー等値面を用いて調査した。界面近傍の速度場とスカラー場は、すべてのReで界面方位に依存する。解像された速度場では、平面噴流の流線方向、横断方向、およびスパン方向に面する界面近傍で、界面に向かう速度が観測された。

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