Turbulent/non-turbulent interfaces detected in DNS of incompressible turbulent boundary layers

T. Watanabe, X. Zhang, K. Nagata
Turbulent/non-turbulent interfaces detected in DNS of incompressible turbulent boundary layers
Physics of Fluids 30(3) 035102 2018

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Abstract

The turbulent/non-turbulent interface (TNTI) detected in direct numerical simulations is studied for incompressible, temporally developing turbulent boundary layers at momentum thickness Reynolds number Reθ ≈ 2000. The outer edge of the TNTI layer is detected as an isosurface of the vorticity magnitude with the threshold determined with the dependence of the turbulent volume on a threshold level. The spanwise vorticity magnitude and passive scalar are shown to be good markers of turbulent fluids, where the conditional statistics on a distance from the outer edge of the TNTI layer are almost identical to the ones obtained with the vorticity magnitude. Significant differences are observed for the conditional statistics between the TNTI detected by the kinetic energy and vorticity magnitude. A widely used grid setting determined solely from the wall unit results in an insufficient resolution in a streamwise direction in the outer region, whose influence is found for the geometry of the TNTI and vorticity jump across the TNTI layer. The present results suggest that the grid spacing should be similar for the streamwise and spanwise directions. Comparison of the TNTI layer among different flows requires appropriate normalization of the conditional statistics. Reference quantities of the turbulence near the TNTI layer are obtained with the average of turbulent fluids in the intermittent region. The conditional statistics normalized by the reference turbulence characteristics show good quantitative agreement for the turbulent boundary layer and planar jet when they are plotted against the distance from the outer edge of the TNTI layer divided by the Kolmogorov scale defined for turbulent fluids in the intermittent region.

日本語訳 (DeepL翻訳)

非圧縮性乱流境界層のDNSで検出される乱流・非乱流界面

運動量厚さReθ≈2000の非圧縮性時間発展型乱流境界層に対して、直接数値シミュレーションで検出される乱流・非乱流境界（TNTI）を調査した。TNTI層の外縁は、乱流体積の閾値依存性を用いて決定した渦度大きさの等値面として検出される。スパン方向の渦度やパッシブスカラーは乱流の良いマーカーであることが示され、TNTI層外縁からの距離に関する条件付き統計量は渦度大きさを用いて得られたものとほぼ同じであることがわかった。運動エネルギーと渦度大きさによって検出されたTNTIの間の条件付き統計量については、有意な差が見られた。広く用いられている壁単位のみの格子設定では、外周部の流れ方向の解像度が不十分であり、その影響がTNTIの形状やTNTI層を横切る渦度ジャンプに及んでいることがわかった。本結果は、格子間隔を流れ方向とスパン方向で同程度にする必要があることを示唆している。TNTI層を異なる流れで比較する場合、条件付き統計量を適切に正規化する必要がある。TNTI層近傍の乱流の参照量は，間欠的領域における乱流の平均値で得られる．基準乱流特性で正規化した条件付き統計量をTNTI層外縁からの距離に対してプロットすると，乱流境界層と平面噴流に対して定量的によく一致することがわかった．

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