Turbulent entrainment across turbulent/non-turbulent interfaces in stably stratified mixing layers

T. Watanabe, J. J. Riley, K. Nagata
Turbulent entrainment across turbulent/non-turbulent interfaces in stably stratified mixing layers
Physical Review Fluids 2(10) 104803 2017

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Abstract

The entrainment process in stably stratified mixing layers is studied in relation to the turbulent-nonturbulent interface (TNTI) using direct numerical simulations. The statistics are calculated with the interface coordinate in an Eulerian frame as well as with the Lagrangian fluid particles entrained from the nonturbulent to the turbulent regions. The characteristics of entrainment change as the buoyancy Reynolds number Reb decreases and the flow begins to layer. The baroclinic torque delays the enstrophy growth of the entrained fluids at small Reb, while this effect is less efficient for large Reb. The entrained particle movement within the TNTI layer is dominated by the small dissipative scales, and the rapid decay of the kinetic energy dissipation rate due to buoyancy causes the entrained particle movement relative to the interface location to become slower. Although the Eulerian statistics confirm that there exists turbulent fluid with strong vorticity or with large buoyancy frequency near the TNTI, the entrained fluid particles circumvent these regions by passing through the TNTI in strain-dominant regions or in regions with small buoyancy frequency. The multiparticle statistics show that once the nonturbulent fluid volumes are entrained, they are deformed into flattened shapes in the vertical direction and diffuse in the horizontal direction. When Reb is large enough for small-scale turbulence to exist, the entrained fluid is able to penetrate into the turbulent core region. Once the flow begins to layer with decreasing Reb, however, the entrained fluid volume remains near the outer edge of the turbulent region and forms a stably stratified layer without vertical overturning.

日本語訳 (DeepL翻訳)

安定密度成層下の混合層における乱流／非乱流界面を介した乱流エントレインメント

安定に成層した混合層におけるエントレインメント過程を乱流-非乱流界面(TNTI)との関係で直接数値シミュレーションにより研究した。統計量は、非乱流領域から乱流領域へ巻き込まれるラグランジュ流体粒子と同様に、オイラーフレームでの界面座標で計算される。浮力レイノルズ数Rebが減少し、流れが層状化し始めると、エントレインメントの特性は変化する。Rebが小さいうちはバロクリニックトルクが巻き込まれた流体のエンストロフィー増加を遅らせるが、Rebが大きくなるとこの効果は小さくなる。TNTI層内の巻き込まれ粒子の動きは小さな散逸スケールに支配され、浮力による運動エネルギー散逸率の急速な減衰により、界面位置に対する巻き込まれ粒子の動きは遅くなる。オイラー統計量では、TNTI近傍に渦度や浮力振動数の大きな乱流が存在することが確認されたが、巻き込まれた流体粒子は、歪み優勢領域や浮力振動数の小さな領域でTNTIを通過し、これらの領域を迂回することが確認された。多粒子統計によると、非乱流体体積が巻き込まれると、鉛直方向には扁平な形状に変形し、水平方向には拡散することがわかった。Rebが十分に大きく小規模な乱流が存在する場合、巻き込まれた流体は乱流コア領域まで侵入することが可能である。しかし，Reb が小さくなり層状化し始めると，巻き込まれた流体量は乱流領域の外縁付近に留まり，垂直方向には転覆せずに安定した成層を形成する．

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