[論文レビュー] Impact of stratification mechanisms on turbulent characteristics of stable open-channel flows

Cheng-Nian Xiao, Inanc Senocak|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 58被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、直接数値シミュレーション（DNS）を用いて、安定な開放型流路内の乱流特性に及ぼす2つの異なる層流化機構—表面冷却と強制された環境温度勾配—の影響を調査する。一定質量流量を維持することで、層流化の影響を分離し、両方のメカニズムが組み合わさった場合、モノイン＝オブフホフ相似理論（MOST）から著しく逸脱することを示し、低フラックスリチャードソン数でも同様である。また、次元なし層流化摂動数が弱い安定層流において主要な制御パラメータとして機能することが明らかになった。

ABSTRACT

Flow over a surface can be stratified by imposing a fixed mean vertical temperature (density) gradient profile throughout or via cooling at the surface. These distinct mechanisms can act simultaneously to establish a stable stratification in a flow. Here, we perform a series of direct numerical simulations of open-channel flows to study adaptation of a neutrally stratified turbulent flow under the combined or independent action of the aforementioned mechanisms. We force the fully developed flow with a constant mass flow rate. This flow forcing technique enables us to keep the bulk Reynolds number constant throughout our investigation and avoid complications arising from the acceleration of the bulk flow when a constant pressure gradient approach were to be adopted to force the flow instead. When both stratification mechanisms are active, the dimensionless stratification perturbation number emerges as an external flow control parameter, in addition to the Reynolds, Froude, and Prandtl numbers. We demonstrate that significant deviations from the Monin-Obukhov similarity formulation are possible when both types of stratification mechanisms are active within an otherwise weakly stable flow, even when the flux Richardson number is well below 0.2. An extended version of the similarity theory due to Zilitinkevich and Calanca shows promise in predicting the dimensionless shear for cases where both types of stratification mechanisms are active, but the extended theory is less accurate for gradients of scalar. The degree of deviation from neutral dimensionless shear as a function of the vertical coordinate emerges as a qualitative measure of the strength of stable stratification for all the cases investigated in this study.

研究の動機と目的

• 表面冷却と強制された環境温度勾配という2つの層流化メカニズムが、安定な開放型流路内の乱流特性に与える影響を調査すること。
• 層流化が表面フラックスに起因すると仮定する既存のモデル（例：モノイン＝オブフホフ相似理論（MOST））の限界を解消すること。
• ジリチニケビッチとカランカによる拡張された相似理論が、両方の層流化メカニズムが併存する状況下で、どの程度の予測精度を示すかを評価すること。
• 流れの駆動方法（一定圧力勾配対一定質量流量）が、安定層流における乱流の進化および統計的定常性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 一定質量流量を維持することで、固定されたバルクレイノルズ数を確保する完全に発達した開放型流路の直接数値シミュレーション（DNS）を実施する。
• 2つの異なる層流化メカニズムを適用する：(1) ブイオイエンシー・フラックスを誘発する表面冷却、(2) 固定された平均垂直温度（密度）勾配を用いた環境層流化の導入。
• 両メカニズムの併存効果を特徴付ける外部制御パラメータとして、次元なし層流化摂動数を用いる。
• 予測精度を評価するために、モノイン＝オブフホフ相似理論（MOST）とジリチニケビッチとカランカによる拡張版を比較する。
• 中性乱流行動からの逸脱を定量化するために、垂直方向全領域における次元なしせん断およびスカラー勾配を分析する。
• 同一の初期中性流れ（Reτ0 = 180）を用い、次元なし時間 t∗ = t/u∗0 を用いて進化を追跡することで、全ケース間の比較可能性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面冷却と環境温度勾配による層流化メカニズムが、安定な開放型流路内の乱流構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 モノイン＝オブフホフ相似理論およびジリチニケビッチとカランカによる拡張版が、二重層流化下での観測された乱流特性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 流れの駆動方法（一定圧力勾配対一定質量流量）が、安定層流における乱流の進化および統計的定常性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 両メカニズムが同時に作用する状況で、次元なし層流化摂動数が安定層流の強さをどのように特徴付けるか？
• RQ5 二重層流化下での、正規化された乱流運動エネルギーおよび速度分散プロファイルは、中性流行動からどの程度逸脱するか？

主な発見

• 表面冷却と環境温度勾配の両メカニズムが作用する場合、レイノルズ数、フローレイノルズ数、プラントル数に加えて、次元なし層流化摂動数が主要な外部制御パラメータとして顕在する。
• 両方の層流化メカニズムが存在する場合、フラックスリチャードソン数が0.2未満であっても、モノイン＝オブフホフ相似理論からの著しい逸脱が観察され、このような領域におけるMOSTの限界を示している。
• ジリチニケビッチとカランカによる拡張相似理論は、二重層流化下での次元なしせん断の予測に有望であるが、スカラー勾配プロファイルではその精度が低下する。
• 垂直座標関数としての、中性次元なしせん断からの逸脱度は、すべてのケースにおいて安定層流の強さを定性的に示す強固な指標である。
• 一定質量流量駆動ではReτが初期値の88％（Reτ = 159）に低下し、安定化するが、一定圧力勾配では流れの加速によりReτが初期値に回復する。これは、駆動方法の選択が極めて重要であることを示している。
• 両駆動方法における乱流運動エネルギー（TKE）プロファイルは壁近傍で中性ケースとよく一致するが、y/H > 0.5では値が低減しており、これは層流化の弱い安定性であり、層流化の兆候は認められない。