[論文レビュー] Rayleigh-Taylor turbulence is nothing like Kolmogorov's in the self similar regime

Olivier Poujade|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2006

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、レイノルズ数が大きいレイノルズ＝ターラー（RT）乱流が、等方的乱流のコルモゴロフ理論に従うという仮定に挑戦し、RT混合層が浮力によって駆動される特徴的な自己相似的ダイナミクスを示す。著者らは、数値シミュレーションと実験と両方に整合する新しいメカニズムを提案し、RT乱流がエネルギーのキャスケードとスケーリング則において、古典的なコルモゴロフ型乱流とは根本的に異なることを示している。

ABSTRACT

An increasing number of numerical simulations and experiments describing the turbulent spectrum of Rayleigh-Taylor (RT) mixing layers came to light over the past few years. Results reported in recent studies allow to rule out a turbulence {\\it \\`a la Kolmogorov} as a mechanism acting on a self similar RT turbulent mixing layer. A different mechanism is presented, which complies with both numerical and experimental results and relates RT flow to other buoyant flows.

研究の動機と目的

• 自己相似的混合層におけるレイノルズ＝ターラー（RT）乱流が、コルモゴロフの普遍的乱流理論に従うかどうかを調査すること。
• RT乱流のスペクトルに関する実験的・数値的観測と、古典的コルモゴロフ予測との間にある矛盾を解消すること。
• コルモゴロフ型のキャスケードではなく、浮力駆動型のプロセスとしてRT乱流を説明する代替理論枠組みを提案すること。
• 一貫したスケーリング機構を通じて、RT流れと他の浮力駆動乱流系を統一すること。

提案手法

• RT混合層の数値シミュレーションと実験データを分析し、エネルギースペクトルとスケーリング行動を抽出すること。
• コルモゴロフの1941年理論が予測するスケーリング指数と、観測されたエネルギースペクトルの指数を比較すること。
• 慣性領域におけるスケーリングのずれを特定し、コルモゴロフ型エネルギーキャスケードが成立しないことを示すこと。
• 局所的等方性ではなく、浮力の時間スケールによって支配されるエネルギーキャスケードを特徴とする、新しい理論的モデルを提案すること。
• 提案されたメカニズムが、RT流れにおける観測された自己相似的振る舞いと整合することを確立すること。
• 共通のスケーリング則と次元なしパラメータを通じて、RT流れの力学を他の浮力流れと関連付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己相似的レイノルズ＝ターラー混合層のエネルギースペクトルは、コルモゴロフの-5/3乗則に従うか？
• RQ2 コルモゴロフの局所的等方性キャスケードではない場合、RT乱流におけるエネルギーキャスケードを支配するメカニズムは何か？
• RQ3 RT乱流におけるスケーリング指数は、古典的均一等方乱流のそれとどのように比較できるか？
• RQ4 RT乱流と他の浮力流れを記述する統一された理論枠組みを構築できるか？
• RQ5 浮力は、RT混合層の自己相似的ダイナミクスをどのように形作っているか？

主な発見

• 自己相似的レイノルズ＝ターラー混合層におけるエネルギースペクトルは、コルモゴロフの-5/3乗則に従わず、古典的乱流理論に反する。
• RT乱流における観測されたスケーリング指数は、コルモゴロフ理論が要請する局所的等方性と均一性の仮定と整合しない。
• エネルギーの分配と自己相似的進化を説明するには、コルモゴロフ型キャスケードではなく、浮力駆動型メカニズムがより適切である。
• 提案されたメカニズムは、数値シミュレーションと実験データの両方と整合し、長年のRT乱流モデル化における矛盾を解消している。
• RT乱流は他の浮力流れと共通のスケーリング特性を示しており、共通の物理的メカニズムが背後に存在する可能性を示唆している。
• RT乱流の自己相似的領域は、粘性的または慣性的効果よりも浮力の時間スケールが支配する、異なるエネルギーキャスケード過程によって制御されている。