Wavelet analysis of coherent vorticity near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
Wavelet analysis of coherent vorticity near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet
Physics of Fluids 26 095105 2014

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Abstract

Coherent vorticity near the turbulent/non-turbulent (T/NT) interface is investigated by using direct numerical simulation of a planar jet. The coherent vorticity extraction (CVE) method based on the orthogonal wavelet decomposition of vorticity is applied to the planar jet for extracting the coherent vorticity. We analyze the conditional statistics conditioned on the distance from the T/NT interface. The coherent vorticity is reconstructed from small number of wavelet coefficients. Nevertheless, the coherent vorticity contains most of enstrophy in the planar jet. Furthermore, the characteristics of the vorticity field are well captured even near the T/NT interface by the coherent vorticity. The coherent velocity obtained by the Biot–Savart relation shows that the large-scale motions, such as induced flow and engulfing motion in the non-turbulent region, are also well represented by the coherent field. The enstrophy transport equation is decomposed into coherent and incoherent parts by the CVE for investigating the role of the coherent vorticity in the enstrophy transport mechanism. The conditional average of the enstrophy transport equation shows that the enstrophy production and dissipation associated with the incoherent vorticity are small compared with the coherent contributions. The enstrophy diffusion near the T/NT interface, which causes the local entrainment of non-turbulent fluids, arises from the coherent vorticity. Thus, most of the enstrophy transport mechanism near the T/NT interface is well captured by the coherent vorticity extracted by the CVE method.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流平面噴流における乱流／非乱流界面近傍のコヒーレント渦度に関するウェーブレット解析

乱流/非乱流(T/NT)界面近傍のコヒーレント渦度について、平面噴流の直接数値シミュレーションにより検討した。渦度の直交ウェーブレット分解に基づくコヒーレント渦度抽出法(CVE)を平面噴流に適用し、コヒーレント渦度を抽出する。T/NT界面からの距離を条件とした条件付き統計量を解析した。その結果、少ないウェーブレット係数からコヒーレント渦度を再構成することができた。しかし、このコヒーレント渦度は、平面ジェットにおけるエンストロフィーの大部分を含んでいる。さらに、T/NT界面近傍でもコヒーレント渦度によって渦度場の特徴がよく捉えられていることがわかった。Biot-Savart関係から得られるコヒーレント速度は、非乱流領域における誘導流や巻き込み運動などの大規模運動もコヒーレント場によってよく表現されることを示している。CVEにより、エンストロフィー輸送方程式をコヒーレント部分とインコヒーレント部分に分解し、エンストロフィー輸送機構におけるコヒーレント渦度の役割を検討した。エンストロフィー輸送方程式の条件付き平均は、インコヒーレント渦度に関するエンストロフィーの生成と散逸がコヒーレント寄与に比べ小さいことを示す。非乱流体の局所的な巻き込みを引き起こすT/NT界面付近のエンストロフィーの拡散は、コヒーレントな渦度から発生する。このように、T/NT界面近傍のエンストロフィー輸送メカニズムの大部分は、CVE法によって抽出されたコヒーレント渦度によってよく捉えられることがわかった。

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