The response of small-scale shear layers to perturbations in turbulence

K. Nakamura, T. Watanabe, and K. Nagata
The response of small-scale shear layers to perturbations in turbulence
Journal of Fluid Mechanics, 963 A31 2023 (Open Access)

This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2023.316.

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Abstract

The perturbation response of small-scale shear layers in turbulence is investigated with direct numerical simulations (DNS). The analysis of shear layers in isotropic turbulence suggests that the typical layer thickness is about four times the Kolmogorov scale η. Response for sinusoidal perturbations is investigated for an isolated shear layer, which models a mean flow around the shear layers in turbulence. The vortex formation in the shear layer is optimally promoted by the perturbation whose wavelength divided by the layer thickness is about 7. These results indicate that the small-scale shear instability in turbulence is efficiently promoted by velocity fluctuations with a wavelength of about 30η. Furthermore, DNS are carried out for decaying turbulence initialised by the artificially modified velocity field of isotropic turbulence. The vortex formation from shear layers is accelerated under the influence of external perturbations with the efficient wavelength to promote the instability. When velocity fluctuations with this wavelength are eliminated by a band-cut filter, the shear layers tend to persist for a long time without producing vortices. These behaviours affect the number of vortices in turbulence, which increases and decreases when velocity perturbations with the unstable wavelength of the instability are artificially amplified and damped, respectively. The increase in the number of vortices results in the enhancement of kinetic energy dissipation, enstrophy production and strain self-amplification. These results indicate that the perturbation response of shear layers is important in the small-scale dynamics of turbulence as well as the modulation of small-scale turbulent motions by external disturbance.

日本語訳 (DeepL翻訳)

乱流中の微細せん断層の擾乱に対する応答

乱流中の小規模なせん断層の擾乱応答について、直接数値シミュレーション(DNS)を用いて検討した。正弦波擾乱に対する応答は、乱流中のせん断層周辺の平均流をモデル化した孤立せん断層について調べた。この結果は、乱流中の小規模なせん断不安定性が、波長30η程度の速度変動によって効率的に促進されることを示すものである。さらに、等方性乱流の速度場を人為的に変更して初期化した減衰性乱流に対してDNSを実施した。不安定性を促進するのに有効な波長の外部摂動の影響により、せん断層からの渦の形成が促進される。この波長を持つ速度変動をバンドカットフィルターで除去すると、せん断層は渦を発生させずに長時間持続する傾向がある。これらの挙動は乱流中の渦の数に影響し、不安定波長を持つ速度摂動を人為的に増幅・減衰させると、それぞれ渦の数が増加・減少する。渦の数が増加すると、運動エネルギーの散逸、エンストロスの生成、歪みの自己増幅が促進される。これらの結果は、外乱による小規模な乱流運動の変調だけでなく、せん断層の擾乱応答が乱流の小規模なダイナミクスにおいて重要であることを示す。

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