Large-scale characteristics of a stably stratified turbulent shear layer

T. Watanabe, K. Nagata
Large-scale characteristics of a stably stratified turbulent shear layer
Journal of Fluid Mechanics, 927 A27 2021

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Abstract

Implicit large eddy simulation is performed to investigate large-scale characteristics of a temporally evolving, stably stratified turbulent shear layer arising from the Kelvin–Helmholtz instability. The shear layer at late time has two energy-containing length scales: the scale of the shear layer thickness, which characterizes large-scale motions (LSM) of the shear layer; and the larger streamwise scale of elongated large-scale structures (ELSS), which increases with time. The ELSS forms in the middle of the shear layer when the Richardson number is sufficiently large. The contribution of the ELSS to velocity and density variances becomes relatively important with time although the LSM dominate the momentum and density transport. The ELSS have a highly anisotropic Reynolds stress, to a degree similar to the near-wall region of turbulent boundary layers, while the Reynolds stress of the LSM is as anisotropic as in the outer region. Peaks in the spectral energy density associated with the ELSS emerge because of the slow decay of turbulence at very large scales. A forward interscale energy transfer from large to small scales occurs even at a small buoyancy Reynolds number. However, an inverse transfer also occurs for the energy of spanwise velocity. Negative production of streamwise velocity and density spectra, i.e. counter-gradient transport of momentum and density, is found at small scales. These behaviours are consistent with channel flows, indicating similar flow dynamics in the stratified shear layer and wall-bounded shear flows. The structure function exhibits a logarithmic law at large scales, implying a k^−1 scaling of energy spectra.

日本語訳 (DeepL翻訳)

安定に成層した乱流せん断層の大規模特性

ケルビン-ヘルムホルツ不安定性から生じる、時間的に発展し、安定に成層した乱流せん断層のスケール特性を調べるために、陰的ラージ・エディ・シミュレーションを実施した。遅い時間の剪断層は、剪断層の大規模運動（LSM）を特徴づける剪断層の厚さのスケールと、時間と共に増加する細長い大規模構造（ELSS）の大きな流れ方向のスケールの二つのエネルギーを含む長さスケールを持つ。ELSSはリチャードソン数が十分大きいときにせん断層の中央で形成される。運動量と密度の輸送はLSMが支配的であるが、速度と密度の分散に対するELSSの寄与は時間とともに相対的に重要になる。ELSSのレイノルズ応力は乱流境界層の壁面近傍と同程度に異方的であるが、LSMのレイノルズ応力は外側の領域と同程度に異方的であることがわかった。ELSSに関連するスペクトルエネルギー密度のピークが現れるのは、非常に大きなスケールで乱流がゆっくりと減衰していくためである。浮力レイノルズ数が小さくても、大きなスケールから小さなスケールへの前方スケール間エネルギー移動が起こる。しかし、スパン方向の速度のエネルギーについては逆方向の移動も起こる。流速・密度スペクトルの負の生成、すなわち運動量と密度の逆勾配輸送が小さいスケールで見られる。これらの挙動はチャネル流れと一致し、成層せん断層と壁に拘束されたせん断流における類似した流れのダイナミクスを示している。構造関数は大きなスケールで対数則を示し、エネルギースペクトルがk^-1スケーリングすることを示唆する。

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