[論文レビュー] Numerical Simulation of Wakes in a Weakly Stratified Fluid

James W. Rottman, Douglas G. Dommermuth+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Re = 10⁵ の条件下で、弱い層流向けおよび非層流向けの自己推進型潜水艦の尾流の進化を大渦シミュレーション（LES）を用いて調査している。層性が存在する場合、内部波の放射と乱流エネルギーの再分配によって、後方尾流で一貫性のあるパンケーイエディが自発的に形成されることを示している。層性は乱流の減衰を抑制し、渦の再循環領域におけるエネルギーの集中を強化する。

ABSTRACT

This paper describes some preliminary numerical studies using large eddy simulation of full-scale submarine wakes. Submarine wakes are a combination of the wake generated by a smooth slender body and a number of superimposed vortex pairs generated by various control surfaces and other body appendages. For this preliminary study, we attempt to gain some insight into the behavior of full-scale submarine wakes by computing separately the evolution the self-propelled wake of a slender body and the motion of a single vortex pair in both a non-stratified and a stratified environment. An important aspect of the simulations is the use of an iterative procedure to relax the initial turbulence field so that turbulent production and dissipation are in balance.

研究の動機と目的

• 非層流向けおよび安定層流向けの両方の流体中における、自己推進型で細長い物体の後方尾流を、大渦シミュレーション（LES）を用いてシミュレートすること。
• 事前に存在する一貫性のある構造がなければ、一貫性のあるパンケーイエディがどのように自発的に形成されるかを理解すること。
• 層性および乱流が、渦対の進化と尾流の持続性に与える影響を調査すること。
• 渦核再循環領域における混合および脱混合を捉えることのできるサブグリッドスケール乱流モデルの開発。
• 繰り返し緩和手順を用いて、乱流生成と散逸が平衡した初期乱流場を確立すること。

提案手法

• 大規模な流れの特徴を解像し、小スケール乱流をモデル化するため、大渦シミュレーション（LES）を採用した。
• シミュレーション開始前に、初期流れ場における乱流生成と散逸をバランスさせるための緩和手順を用いた。
• 平均的な自己推進尾流（スイーブを含む）と、一様な乱流場を重ね合わせて初期化した。
• Re = 10⁵ の条件下で、非層向（Fr = ∞）および弱い層向（Fr = 4）の両ケースをシミュレートした。
• 弱い層流向け非圧縮流体に、ボウシネスク近似を適用し、正規化された長さおよび速度スケールを用いた。
• エネルギー移動および渦のダイナミクスを分析するため、乱流運動エネルギー、渦度、内部波生成を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期に一貫性のある構造が存在しない状況下でも、自己推進尾流で一貫性のあるパンケーイエディが自発的に形成可能か？
• RQ2 層性は、尾流における乱流運動エネルギーの減衰率とエネルギー分布にどのように影響するか？
• RQ3 内部波の放射が、乱流生成の低減と尾流の持続性の延長に果たす役割は何か？
• RQ4 背景乱流は、層向および非層向環境下で、反時計回りの渦対の上昇速度にどのように影響するか？
• RQ5 時間経過に伴い、渦対の再循環領域における乱流運動エネルギーの分布はどのように変化するか？

主な発見

• ランダム位相の乱流で初期化された場合でも、パンケーイエディが自発的に形成された。これは、平均的なスイーブと乱流からの自己組織化を示している。
• 非層向の場合、乱流運動エネルギーは一貫して減衰し、エネルギーは渦核部に集中したままだった。
• 層向の場合（Fr = 4）、遅い段階で再循環領域における乱流運動エネルギーが増加した。これは、平均流れから乱流へのエネルギー移行を示している。
• 層向の場合の運動エネルギーの振動周波数は、浮力周波数と一致しており、内部波の生成を確認した。
• 層性は乱流生成と散逸を低減させ、ドレイク尾流と比較して、尾流の持続性を延長した。
• 乱流および層向環境の両方で、渦対の上昇速度は低下した。層性は、ポテンシャルエネルギーへのエネルギー変換と波生成を追加した。