Multi-particle dispersion during entrainment in turbulent free-shear flows

T. Watanabe, C. B. da Silva, K. Nagata
Multi-particle dispersion during entrainment in turbulent free-shear flows
Journal of Fluid Mechanics 805(R1) R1-12 2016

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This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2016.558.

Abstract

Multi-particle dispersion is studied using direct numerical simulations of temporally evolving mixing layers and planar jets for tetrahedra consisting of four fluid particles which are seeded in the turbulent regions or in the non-turbulent regions near the turbulent/non-turbulent interface (TNTI). The modified Richardson law for decaying turbulence is observed for particle pairs. The size dependence of the mean and relative motions of the entrained tetrahedra indicates that the characteristic length scale of the entrained lumps of fluid is approximately 10 times the Kolmogorov microscale. When the tetrahedra move within the TNTI layer they are flattened and elongated by vortex stretching at a deformation rate that is characterized by the Kolmogorov time scale. The shape evolutions of the tetrahedra show that in free-shear flows, thin-slab structures of advected scalars are generated within the TNTI layers.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流自由剪断流中におけるエントレインメントによる多粒子拡散

乱流領域あるいは乱流・非乱流界面(TNTI)近傍の非乱流領域に播種した4つの流体粒子からなる四面体について、時間発展する混合層と平面噴流の直接数値シミュレーションを用いて、多粒子分散を調べた。粒子対の場合、減衰性乱流に対する修正リチャードソン則が観測された。巻き込まれた四面体の平均運動と相対運動のサイズ依存性から、巻き込まれた流体の塊の特徴的な長さスケールはKolmogorovのマイクロスケールの約10倍であることが示された。四面体はTNTI層内を移動するとき、コルモゴロフ時間スケールで特徴づけられる変形速度で渦の伸張により平坦化・伸長される。四面体の形状変化は、自由せん断流において、TNTI層内に移流スカラーの薄いスラブ構造が生成されることを示す。

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