Multi-particle model of coarse-grained scalar dissipation rate with volumetric tensor in turbulence

S. Tanaka, T. Watanabe, K. Nagata
Multi-particle model of coarse-grained scalar dissipation rate with volumetric tensor in turbulence
Journal of Computational Physics 389(15) 128-146 2019

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This article may be found at https://doi.org/10.1016/j.jcp.2019.03.034.

Abstract

A multi-particle model is proposed for a coarse-grained scalar dissipation rate, where a coarse-grained quantity is defined with an ensemble average of spatially-distributed fluid particles within a finite volume. The model computes the coarse-grained scalar dissipation rate from coarse-grained scalar gradient with a subgrid scale model of a scalar dissipation rate, which requires length-scale estimation for particle distribution. A volumetric tensor that characterizes the particle distribution is used in the model for computing the length scale and coarse-grained scalar and velocity gradients from particles. The model is examined in a priori and posteriori tests. A priori test with direct numerical simulation database of turbulent planar jets shows that the present model works well for a wide range of length scale of particle distribution when the number of particles N_M is about 10-16. The model with N_M<10 overestimates the coarse-grained scalar dissipation rate, while N_M>16 causes stronger dependence of the model on the length scale of particle distribution. The proposed model is tested in hybrid large-eddy-simulation/Lagrangian-particle-simulation (LES/LPS) of planar jets, where the coarse-grained scalar dissipation rate appears as an unknown variable in a mixing volume model that computes a molecular diffusion term based on a multi-particle interaction. LES/LPS and DNS yield a similar profile of root-mean-squared scalar fluctuation, which strongly depends on the scalar dissipation rate. Comparison of the mean scalar dissipation rate between the model and the DNS shows that the present model applied to the LES/LPS well predicts the coarse-grained scalar dissipation rate at various jet Reynolds number. 

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流中の粗視化スカラー散逸率の体積テンソルを用いた多粒子モデル

有限体積内に空間的に分布する流体粒子のアンサンブル平均により定義される粗視化スカラー散逸率について、多粒子モデルを提案する。このモデルは、粒子分布の長さスケールの推定を必要とするスカラー散逸率のサブグリッドスケールモデルを用いて、粗視化スカラー勾配から粗視化スカラー散逸率を計算するものである。粒子分布を特徴付ける体積テンソルを用いて、粒子からの長さスケールと粗視化スカラー勾配、速度勾配を計算するモデルである。このモデルをアプリオリテストとポストステリオリテストで検討する。乱流平面噴流の直接数値シミュレーションデータベースを用いた先験では、粒子数N_Mが10-16程度の場合、本モデルが粒子分布の長さスケールの広い範囲でうまく機能することが示された。N_M<10では粗視化スカラー散逸率を過大評価し、N_M>16ではモデルの粒子分布の長さスケールへの依存性が強くなることが示された。提案したモデルを平面噴流のハイブリッド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)でテストした。粗視化スカラー散逸率は、多粒子相互作用に基づいて分子拡散項を計算する混合体積モデルにおいて未知変数として現れる。LES/LPSとDNSでは、スカラー散逸率に強く依存するスカラー変動の二乗平均平方根について類似した分布を得ることができた。本モデルとDNSの平均スカラー散逸率を比較した結果、LES/LPSに適用した本モデルは、様々な噴流レイノルズ数において粗視化スカラー散逸率を精度よく予測することが示された。

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