Vortex stretching and compression near the turbulent/nonturbulent interface in a planar jet

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Vortex stretching and compression near the turbulent/nonturbulent interface in a planar jet
Journal of Fluid Mechanics 758 754-785 2014

This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2014.559.

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Abstract

Vortex stretching and compression, which cause enstrophy production by inviscid processes, are investigated near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface in a planar jet by using a direct numerical simulation (DNS). The enstrophy production is investigated by analysing the relationship among a vorticity vector, strain-rate eigenvectors and strain-rate eigenvalues. The statistics are calculated individually for three different interface orientations. The vorticity near the T/NT interface is oriented in the tangential direction to the interface. The enstrophy production is affected by the interface orientation because the intensity of vortex stretching depends on the interface orientation, and the alignment between the vorticity vector and the strain-rate eigenvectors is confined by the interface. The enstrophy production near the T/NT interface is analysed by considering the motion of turbulent fluid relative to that of the interface. The results show that the alignment between the interface and the strain-rate eigenvectors changes depending on the velocity field near the T/NT interface. When the turbulent fluid moves toward the T/NT interface, the enstrophy is generated by vortex stretching without being greatly affected by vortex compression. In contrast, when the turbulent fluid relatively moves away from the T/NT interface, large enstrophy reduction frequently occurs by vortex compression. Thus, it is shown that the velocity field near the T/NT interface affects the enstrophy production near the interface through the alignment between the vorticity and the strain-rate eigenvectors.

日本語訳 (DeepL翻訳)

平面噴流の乱流・非乱流界面近傍における渦の伸縮に関する研究

非粘性プロセスによるエンストロフィー生成を引き起こす渦の伸縮を、直接数値計算（DNS）を用いて平面噴流の乱流/非乱流（T/NT）界面近傍で調査した。エンストロフィーの生成は、渦度ベクトル、歪み率固有ベクトル、歪み率固有値の関係を解析することにより検討した。統計量は3つの異なる界面方向について個別に計算された。T/NT界面近傍の渦度は界面の接線方向に向いている。渦の伸縮の強さは界面の向きに依存し、渦度ベクトルとひずみ速度固有ベクトルの配置は界面によって制限されるため、エンストロフィーの生成は界面の向きに影響される。T/NT界面近傍でのエンストロスの生成について、界面に対する乱流の運動を考慮することで解析した。その結果、T/NT界面付近の速度場によって、界面とひずみ率固有ベクトルの配向が変化することがわかった。乱流がT/NT界面に向かっているときは、渦の圧縮の影響をあまり受けずに、渦の伸張によってエンストロが発生する。一方、乱流がT/NT界面から相対的に遠ざかると、渦の圧縮により大きなエンストロスの減少が頻繁に起こる。このように、T/NT界面近傍の速度場は、渦度とひずみ速度固有ベクトルの整合を通じて、界面近傍のエンストロフィー生成に影響を与えることが示された。

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