Nearly homogeneous and isotropic turbulence generated by the interaction of supersonic jets

T. Mori, T. Watanabe, K. Nagata 

Nearly homogeneous and isotropic turbulence generated by the interaction of supersonic jets 

Experiments in Fluids, 65 947 2024

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-024-03764-6 or on ResearchGate.

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Abstract

This study reports the development and characterization of a multiple-supersonic-jet wind tunnel designed to investigate the decay of nearly homogeneous and isotropic turbulence whose generation process is strongly influenced by fluid compressibility. The interaction of 36 supersonic jets generates turbulence that decays in the streamwise direction. The velocity field is measured with particle image velocimetry by seeding tracer particles with ethanol condensation. Various velocity statistics are evaluated to diagnose decaying turbulence generated by the supersonic jet interaction. The flow is initially inhomogeneous and anisotropic and possesses intermittent large-scale velocity fluctuations. The flow evolves into a statistically homogeneous and isotropic state as the mean velocity profile becomes uniform. In the nearly homogeneous and isotropic region, the ratio of root-mean-squared velocity fluctuations in the streamwise and vertical directions is about 1.08, the longitudinal integral scales are also similar in these directions, and the large-scale intermittency becomes insignificant. The turbulent kinetic energy per unit mass decays according to a power law with an exponent of about 2, larger than those reported for incompressible grid turbulence. The energy spectra in the inertial subrange agree well with other turbulent flows when normalized by the turbulent kinetic energy dissipation rate and kinematic viscosity. The non-dimensional dissipation rate Cε is within a range of 0.56–0.87, which is also consistent with incompressible grid turbulence. The dependence of Cε on the turbulent Reynolds number aligns with the scaling of non-equilibrium turbulence, leading to the large decay exponent.

日本語訳 (DeepL翻訳)

日本語タイトル

本研究では、流体圧縮性の影響を強く受けるほぼ一様で等方的な乱流の減衰を調べるために設計された複数超音速ジェット風洞の開発と特性評価について報告する。36個の超音速ジェットの相互作用により、流れ方向に減衰する乱流が発生する。トレーサー粒子をエタノール凝縮液で添加し、速度場を粒子画像流速計で測定した。超音速噴流の相互作用によって発生する減衰性乱流を調べるために，さまざまな速度統計量を評価した．流れは初期には非一様で異方的であり、間欠的な大規模な速度変動を持っている。平均速度分布が一様になるにつれて、流れは統計的に均質で等方的な状態に発展する。ほぼ均質で等方的な領域では、流れ方向と鉛直方向の速度変動の二乗平均平方根の比は約1.08であり、縦方向の積分スケールもこれらの方向で同様であり、大規模な 間欠性は重要でなくなる。単位質量あたりの乱流運動エネルギーは、非圧縮性格子乱流で報告されたものよりも大きい、指数約2のべき乗則に従って減衰する。慣性領域におけるエネルギースペクトルは、乱流運動エネルギー散逸率と動粘性率で正規化すると、他の乱流とよく一致する。無次元散逸率Cεは0.56-0.87の範囲にあり、これも非圧縮性格子乱流と一致する。Cεの乱流レイノルズ数依存性は非平衡乱流のスケーリングと一致し、大きな減衰指数をもたらした。

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