[論文レビュー] Geometry and organization of coherent structures in stably stratified atmospheric boundary layers

Abhishek Harikrishnan, Cedrick Ansorge+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Q基準を用いて安定層巻き付き大気境界層（ABL）内の連帯構造を幾何学的に分類するための多層透過（MLP）解析を導入し、乱流および非乱流領域の分離を可能にした。その結果、チューブ状およびシート状の構造が層巻き付きレベルを貫いて持続しており、グローバルな間欠性がすべてのABL層に影響を与え、非乱流領域には組織的なストリークと凝集したスイープ/エクスカーションイベントが存在することが判明した。特に強い層巻き付き条件下で顕著であった。

ABSTRACT

Global intermittency is observed in the stably stratified Atmospheric Boundary Layer (ABL) and corresponds to having large nonturbulent flow regions to develop in an otherwise turbulent flow. In this paper, the differences between continuous and intermittent turbulence are quantified with the help of coherent structures. Eight classes of coherent structures are identified from literature, most of which are indicated by scalar criteria derived from velocity fields. A method is developed to geometrically classify structures into three categories: blob-like, tube-like or sheet-like. An alternate definition of the intermittency factor $\\gamma$ based on coherent structures is introduced to separate turbulent and nonturbulent parts of a flow. Applying this conditioning technique and the geometrical characterization on direct numerical simulations (DNS) of an Ekman flow, we find the following: (i) structures with similar geometries (either tube-like or sheet-like) are found regardless of the strength of stratification; (ii) global intermittency affects all regions of the ABL - viscous sublayer, buffer layer, inner, and outer layer; (iii) for the highly stratified case, sweep/ejection pairs form well-separated clusters within the viscous sublayer which can possibly explain the abundance of hairpin-like vortices with a particular orientation; (iv) nonturbulent regions are occupied with streamwise velocity fluctuations and there is a switch between high- and low-speed streaks at a particular height for all stratified cases.

研究の動機と目的

• 安定層巻き付きABLにおける乱流／非乱流領域の3次元幾何的性質を捉えることが難しい従来の間欠性係数の限界を解消すること。
• 3次元的形状に基づいて、塊状、チューブ状、シート状の連帯構造を幾何学的に分類する手法の開発。
• 乱流領域と非乱流領域のグローバルな間欠性が、境界層の異なるサブレイヤー（粘性下層、バッファ層、内層、外層）に与える影響を定量化すること。
• 層巻き付きの強さが、スイープ／エクスカーションやハリピン渦などの構造の空間的組織と幾何的性質に与える影響を調査すること。
• 連帯構造の幾何的性質に基づいた、より優れた間欠性係数γの導入により、DNSデータにおける乱流／非乱流領域のより正確な分離を可能にすること。

提案手法

• エクマン流れの直接数値シミュレーション（DNS）において、Q基準を用いて渦状構造を特定し、回転領域（乱流領域）を分離するためのしきい値を設定する。
• 特に強い層巻き付き条件下で大きな非乱流パッチを示す流れにおいても、構造の階層的クラスタリングを解明するため、多層透過（MLP）解析を考案する。
• 複数のしきい値で透過解析を実施し、平均フラクタル次元⟨Dα⟩、最大構造体積Vmax、および総体積Vを各構造について計算する。
• 構造の単純性を評価するための停止基準を設定：すべてのしきい値においてmin(Vmax/V) > 0.5を満たす構造は単純とみなされ保持され、それ以外は再帰的に処理される。
• しきい値を設定したスカラー場におけるボックスカウント法から得られる特徴的長尺度を用いて、塊状、チューブ状、シート状の形状を幾何学的に分類する。
• 連帯構造に条件付けた流れ場を用いて、新しい間欠性係数γを計算し、従来の尖度に基づく手法に代わる幾何学的感度を持つアプローチを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定層巻き付きABLにおける連帯構造（塊状、チューブ状、シート状）の幾何的形状は、層巻き付きの強さが増加するにつれてどのように変化するか？
• RQ2 大規模な非乱流領域を特徴とするグローバルな間欠性は、境界層の異なるサブレイヤー（粘性下層、バッファ層、内層、外層）にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 強い層巻き付き条件下で、スイープ／エクスカーションペアが連帯構造をどのように組織化しているか。また、その関係は、観察されたハリピン型渦の優位な形成と方向性にどのように関連しているか？
• RQ4 異なる層巻き付きレベルにおいて、非乱流領域における流れ方向速度のフラクチュエーションとストリークはどのように組織化されているか？
• RQ5 幾何学的特性に基づいた間欠性係数γを定義し、従来の方法よりも乱流／非乱流領域の分離をより正確に行うことが可能か？

主な発見

• 特にチューブ状およびシート状の構造は、すべての層巻き付きレベルにわたり同一の幾何的性質を維持しており、幾何的組織が層巻き付き強度の変化に対して頑健であることが示された。
• グローバルな間欠性は、粘性下層、バッファ層、内層、外層にわたり影響を及ぼしており、間欠性が外層に限定されるという仮定に反する。
• 強い層巻き付き状態（S_1）では、スイープ／エクスカーションペアが粘性下層内で明確に分離したクラスタを形成しており、これがハリピン型渦の好ましい形成と方向性に寄与している可能性がある。
• 非乱流領域は主に流れ方向速度のフラクチュエーションが占めており、すべての層巻き付き状態において、特定の高さで高速ストリークと低速ストリークの切り替わりが明確に観察された。
• 提案された多層透過（MLP）解析は、大きな非乱流パッチを有する極めて間欠的な流れにおいても、連帯構造の階層的クラスタリングを的確に解明でき、正確な幾何的分類を可能にした。
• 連帯構造の幾何的性質に基づく新しい間欠性係数γは、従来の尖度に基づく手法よりも物理的に意味があり、空間的に解像度の高い乱流／非乱流領域の分離を実現した。