Scale-by-scale kinetic energy budget near the turbulent/non-turbulent interface

T. Watanabe, C. B, da Silva, K. Nagata
Scale-by-scale kinetic energy budget near the turbulent/non-turbulent interface
Physical Review Fluids, 5 124610 2020

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Abstract

A scale-by-scale kinetic energy budget is analyzed near the turbulent/nonturbulent interfacial (TNTI) layer with direct numerical simulations (DNSs) of a local turbulent front evolving without mean shear (shear-free turbulence). A local volume average is used to decompose the flow variables into their large-scale and small-scale components near the TNTI layer. The kinetic energy and interscale energy flux from large to small scales of motion are shown to be severely depleted for small scales within the viscous superlayer. The forward interscale energy transfer from large to small scales near the TNTI layer is mostly caused by the velocity gradient in the interface normal direction while the velocity gradient in the tangential direction transfers, on average, the energy from small to large scales. The velocity gradients that cause the forward energy transfer near the TNTI layer are associated with a compressive motion in the interface normal direction and a shearing motion due to the velocity in the tangential direction. The pressure diffusion increases the kinetic energy near the interface except at small scales within the TNTI layer. The averaged pressure diffusion term at the small scales within the TNTI layer has negative values, which are consistent with the presence of small-scale vortices within the TNTI layer. The transports by turbulent diffusion and interaction between large and small scales are negatively correlated even near the TNTI layer, and their effects are locally canceled by each other as also observed in other turbulent flows.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流・非乱流界面におけるスケール毎の運動エネルギー収支

乱流・非乱流界面(TNTI)層近傍のスケール毎の運動エネルギー収支を、平均シアーを伴わない局所乱流前線（無せん断乱流）の直接数値シミュレーション（DNS）によって解析した。局所的な体積平均を用いることで、TNTI層近傍の流れ変数を大規模成分と小規模成分に分解した。運動の大スケールから小スケールへの運動エネルギーとスケール間エネルギーフラックスは、粘性超層内の小スケールでは著しく低下していることが示された。TNTI層近傍の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は、接線方向の速度勾配が平均的に小さなスケールから大きなスケールへエネルギーを移動させるのに対し、界面法線方向の速度勾配がほとんどを引き起こしていることがわかる。TNTI層近傍で前方へのエネルギー移動を引き起こす速度勾配は、界面法線方向の圧縮運動と接線方向の速度によるせん断運動に関連するものである。圧力拡散は、TNTI層内の小さなスケールを除いて、界面近傍の運動エネルギーを増加させる。TNTI層内の小さなスケールで平均化された圧力拡散項は負の値を持ち、これはTNTI層内に小さなスケールの渦が存在することと矛盾しない。乱流拡散と大小スケールの相互作用による輸送は、TNTI層近傍でも負の相関を持ち、他の乱流でも見られるように、その効果は局所的に打ち消されることがわかった。

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