Mixing model with multi-particle interactions for Lagrangian simulations of turbulent mixing

T. Watanabe, K. Nagata
Mixing model with multi-particle interactions for Lagrangian simulations of turbulent mixing
Physics of Fluids 28(8) 19 201

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Abstract

We report on the numerical study of the mixing volume model (MVM) for molecular diffusion in Lagrangian simulations of turbulent mixing problems. The MVM is based on the multi-particle interaction in a finite volume (mixing volume). A priori test of the MVM, based on the direct numerical simulations of planar jets, is conducted in the turbulent region and the interfacial layer between the turbulent and non-turbulent fluids. The results show that the MVM predicts well the mean effects of the molecular diffusion under various numerical and flow parameters. The number of the mixing particles should be large for predicting a value of the molecular diffusion term positively correlated to the exact value. The size of the mixing volume relative to the Kolmogorov scale η is important in the performance of the MVM. The scalar transfer across the turbulent/non-turbulent interface is well captured by the MVM especially with the small mixing volume. Furthermore, the MVM with multiple mixing particles is tested in the hybrid implicit large-eddy-simulation/Lagrangian-particle-simulation (LES–LPS) of the planar jet with the characteristic length of the mixing volume of O(100η). Despite the large mixing volume, the MVM works well and decays the scalar variance in a rate close to the reference LES. The statistics in the LPS are very robust to the number of the particles used in the simulations and the computational grid size of the LES. Both in the turbulent core region and the intermittent region, the LPS predicts a scalar field well correlated to the LES.

日本語訳 (DeepL翻訳)

ラグランジュシミュレーションによる乱流混合のための多粒子間相互作用モデル

乱流混合現象のラグランジュシミュレーションにおける分子拡散の混合体積モデル(MVM)の数値的研究に関して報告する。MVMは有限体積(混合体積)における多粒子相互作用に基づくものである。平面噴流の直接数値シミュレーションに基づき、乱流領域と乱流と非乱流の間の界面層でMVMの事前テストを行った。その結果、MVMは様々な数値パラメータや流動パラメータのもとで、分子拡散の平均効果をよく予測することが示された。分子拡散項の値が正確な値と正の相関を持つように予測するためには、混合粒子の数を大きくする必要がある。Kolmogorovスケールηに対する混合体積の大きさは、MVMの性能に重要である。乱流／非乱流界面のスカラー輸送は、特に混合体積が小さい場合に、MVMによってよく捕捉される。さらに、複数の混合粒子を用いたMVMを、混合体積の特性長をO(100η)とした平面噴流の陰解法ラージ・エディ・シミュレーション/ラグランジュ粒子シミュレーション（LES-LPS）においてテストした。大きな混合体積にもかかわらず、MVMは良好に動作し、参照LESに近い速度でスカラー分散を減衰させることができた。LPSの統計量は、シミュレーションに使用した粒子数やLESの計算格子サイズに対して非常にロバストである。乱流コア領域と間欠的領域の両方において、LPSはLESとよく相関したスカラー場を予測する。

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