[論文レビュー] A Cautionary Note on the Zagarola and Smits Similarity Parameter for the Turbulent Boundary Layer

David Weyburne|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、乱流境界層におけるZagarolaおよびSmitsの類似パラメータを厳密に検討し、欠損プロファイルスケーリングの広範な使用が真の類似性を満たさない場合が多いことを示している。研究では、この手法により類似性を主張する大多数のデータセットが、類似性要件を完全に満たしていないことが明らかになった。これは、文献におけるそのような主張の妥当性を損なうものである。

ABSTRACT

Zagarola and Smits developed an empirical velocity parameter for scaling the outer region of the turbulent boundary layer velocity profile that has been widely applied to experimental datasets. Plots of the scaled defect profiles indicate that most datasets display similar-like behavior using the Zagarola and Smits scaling parameter. In the work herein, it is shown that the common practice of finding similarity behavior using the defect profile is often incomplete in the sense that not all of the criteria for similarity have been checked for compliance. When full compliance is checked, it is found that most of the datasets which display defect similarity do not satisfy all the criteria required for similarity. The nature of this contradiction and noncompliance is described in detail. It is shown that the original datasets used by Zagarola and Smits display this flawed similarity behavior. Hence, a careful reassessment of any claims in the literature is required for those groups that attempted to use the defect profile and the Zagarola and Smits type of velocity scaling parameter to assert similarity of the velocity profile.

研究の動機と目的

• 乱流境界層研究においてZagarolaおよびSmitsのスケーリングパラメータを用いてなされた類似性主張の妥当性を評価すること。
• 欠損プロファイル解析に依存する既存の文献における類似性基準の不完全な適用を特定すること。
• オリジナルのZagarolaおよびSmitsのデータセットですら、真の類似性に必要な条件を完全に満たしていないことを示すこと。
• 研究者が欠損プロファイルの収縮を、乱流境界層流れにおける類似性の決定的証拠と誤解して解釈するのを避けるよう警告すること。

提案手法

• 乱流境界層速度プロファイルにおける類似性を満たすために必要な基準の体系的評価。
• 類似性理論の適用により、さまざまなデータセットからの欠損プロファイルが実際に類似性条件を満たしているかどうかを評価すること。
• オリジナルおよび導出されたデータセットを用いて、ZagarolaおよびSmitsのスケーリングパラメータを完全な類似性要件と比較すること。
• 欠損プロファイル分析を用いて類似性をテストし、その後理論的類似性基準に基づく厳密な検証を実施すること。
• オリジナルのZagarolaおよびSmitsの実験データの分析により、類似性条件への適合度を評価すること。
• 11枚の図および付録を用いた詳細な視覚的および定量的評価を統合し、研究結果を裏付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZagarolaおよびSmitsスケーリングを用いて類似性を主張するデータセットが、実際に乱流境界層における類似性のすべての基準を満たしている程度はどの程度か？
• RQ2 なぜ欠損プロファイルの収縮が、常に乱流境界層流れにおける真の類似性を意味しないのか？
• RQ3 厳密に評価した場合、オリジナルのZagarolaおよびSmitsのデータセットは類似性の完全な要件を満たしているか？
• RQ4 類似性テストの不完全さが、このスケーリング法に依存する文献における結論の妥当性に及ぼす影響は何か？
• RQ5 研究者は、どのようにして乱流境界層研究においてプロファイル収縮を類似性の証拠と誤解するのを避けることができるか？

主な発見

• ZagarolaおよびSmitsの欠損プロファイルスケーリングを用いて類似性を示すように見える大多数のデータセットは、真の類似性に必要なすべての基準を満たしていない。
• 類似性の模範例とされることが多いオリジナルのZagarolaおよびSmitsのデータセットも、厳密に評価した場合、類似性条件を完全に満たしていない。
• 類似性の証拠として単に欠損プロファイルの収縮に依存する慣習は不十分であり、しばしば誤解を招く。
• 本研究では、乱流境界層文献における広範な実験データにおいて、類似性評価に系統的な欠陥が存在することを明らかにした。
• 特にZagarolaおよびSmits型スケーリングおよび欠損プロファイル分析に依存する研究に関しては、類似性主張の再評価が求められる。