Statistical properties of shear and non-shear velocity components in isotropic turbulence and turbulent jets

R. Enoki, T. Watanabe, K. Nagata 
Statistical properties of shear and non-shear velocity components in isotropic turbulence and turbulent jets
Physical Review Fluids, 8 104602 2023

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This article may be found at https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.104602.

Abstract

The triple decomposition of a velocity gradient tensor, which extracts local fluid motions of shear, rigid-body rotation, and irrotational strain, is extended to the decomposition of velocity vectors into shear and nonshear components. The present approach adapts the Biot-Savart law to reconstruct shear and nonshear velocities from the vorticity vectors of shear and rigid-body rotation, respectively. These velocities are related to the flows induced by small-scale shear layers or vortex tubes. The decomposed velocities are investigated with direct numerical simulations of isotropic turbulence and temporally evolving planar jets. The r.m.s. values of shear and nonshear velocities are about 70% and 30% of the r.m.s. value of total velocity fluctuations, and shear layers have a greater contribution to velocity fluctuations than vortex tubes. The shear and nonshear velocities are positively correlated at large scales, and the momentum transfer due to their interaction actively occurs at scales greater than 20 times the Kolmogorov scale. The contributions of shear and nonshear velocities to the Reynolds stress hardly depend on flows. The energy spectra of these velocities collapse well at small scales under Kolmogorov normalization. The present analysis of the turbulent jet confirms that shearing motion has dominant contributions to the production and diffusion of turbulent kinetic energy and the turbulent transport of a passive scalar. In addition, the energy transfer across scales is shown to be dominated by the large-scale velocity gradients arising from shearing motion and the small-scale stresses due to the shear velocity and its interaction with the nonshear component.

日本語訳 (DeepL翻訳)

日本語タイトル

せん断、剛体回転、回転ひずみの局所的な流体運動を抽出する速度勾配テンソルの三成分分解を、速度ベクトルをせん断成分と非せん断成分に分解することに拡張した。本アプローチでは、Biot-Savart則を適用し、せん断と剛体回転の渦度ベクトルから、それぞれせん断速度と非せん断速度を再構成する。これらの速度は、小規模なせん断層や渦管によって引き起こされる流れに関連している。分解された速度は,等方性乱流と時間発展する平面噴流の直接数値シミュレーションによって調べられた.せん断速度と非せん断速度のr.m.s.値は全速度変動のr.m.s.値の約70%と30%であり、せん断層は渦管よりも速度変動への寄与が大きい。せん断速度と非せん断速度は大きなスケールで正の相関があり、その相互作用による運動量移動はコルモゴロフスケールの20倍以上のスケールで活発に起こる。レイノルズ応力に対するせん断速度と非せん断速度の寄与は流れにほとんど依存しない。これらの速度のエネルギースペクトルは、コルモゴロフ正規化により小さなスケールでよく崩壊する。乱流ジェットの解析により、せん断運動が乱流運動エネルギーの生成と拡散、およびpassive scalarの乱流輸送に支配的に寄与していることが確認された。さらに、スケールを超えたエネルギー伝達は、せん断運動から生じる大規模な速度勾配と、せん断速度と非せん断成分との相互作用による小規模な応力によって支配されることが示された。


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