Role of an isolated eddy near the turbulent/non-turbulent interface

T. Watanabe, R. Jaulino, R. R. Taveira, C. B. da Silva, K. Nagata, Y. Sakai
Role of an isolated eddy near the turbulent/non-turbulent interface
Physical Review Fluids 2(9) 094607 2017

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Abstract

A simple analytical description for the effects of a single vortex near a turbulent/non-turbulent interface (TNTI) layer, based on a Burgers vortex (BV) model, is compared with results from direct numerical simulation (DNS) of shear-free turbulence. The BV model parameters are derived from the DNS data, and the model separates the entrainment as a two-stage process: (i) the strain imposed on the vortex draws non-turbulent fluid toward the irrotational boundary that separates the irrotational from the turbulent region, and afterwards (ii) the velocity associated with the vorticity field moves the entrained fluid toward the turbulent core region. The resulting model is able to predict the enstrophy dynamics, flow streamlines, and flow topology—such as the formation of the teardrop map in the invariants of the velocity gradient tensor—as well as the entrainment velocity. The BV model provides an interesting framework to analyze the small-scale “nibbling” eddy motions near the TNTI and allows the inclusion of the large-scale flow-dependent effects imposed by the strain rate, while it also links the entrainment characteristics to the eddy structure of the flow near TNTIs.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流・非乱流界面近傍の孤立渦の役割

乱流・非乱流界面(TNTI)層近傍の単一渦の効果について、Burgers渦(BV)モデルに基づく簡単な解析的記述を、無剪断乱流の直接数値計算(DNS)による結果と比較する。BVモデルのパラメータはDNSデータから導出され、このモデルはエントレインメントを2段階のプロセスとして分離する。(i)渦に与えられた歪みが非乱流体をirrotational boundaryに引き寄せ、(ii)渦度場に伴う速度が巻き込まれた流体を乱流コア領域へ移動させる。そのモデルは、巻き込み速度と同様に、エンストロイダイナミクス、流線、流れのトポロジー（速度勾配テンソルの不変量における涙滴マップの形成など）を予測することが可能である。BVモデルは、TNTI近傍の小規模な「nibbling」渦運動を解析するための興味深い枠組みを提供するとともに、歪速度によって課される大規模な流れ依存効果を含めることを可能にし、またエントレインメントの特性をTNTI近傍の流れの渦構造と結びつけて考えることができます。

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