[論文レビュー] The effects of large scales on the inertial range in high-Reynolds-number turbulence

Katepalli R. Sreenivasan, Brindesh Dhruva+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 1999

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、大規模な運動が高レイノルズ数乱流における慣性範囲に与える影響を、大規模成分を特定的に除去することで調査する。奇数次構造関数、特に速度増分の歪度が強く減少するのに対し、フラットネスは比較的変化が小さいことが判明し、小スケールエネルギーと大スケールひずみ率の相互作用が歪度の減少を相殺していることを示唆しており、従来のエネルギーキャスケード像に挑戦する。

ABSTRACT

The effects of removing large scales external to the inertial range on the properties of scales within the inertial range are studied in a high-Reynolds-number turbulent flow. Structure functions of both even and odd orders are strongly affected across the entire inertial range, but odd-order moments are affected to a greater degree. In particular, the skewness of velocity increments shows a significant reduction whereas the flatness changes comparatively little. The reduction in skewness is counterbalanced essentially by the interaction between the small-scale energy and the large-scale rate of strain. The implications of these results for the conventional cascade picture are examined briefly.

研究の動機と目的

• 高レイノルズ数流れにおける大規模運動が小スケール乱流特性に与える影響を理解すること。
• 大規模成分の除去が慣性範囲全域における構造関数に与える影響を調査すること。
• 奇数次モーメントと偶数次モーメント、特に速度増分の歪度とフラットネスへの影響を評価すること。
• 従来の前向きエネルギーキャスケードモデルに対する意味を検討すること。
• 小スケールエネルギーと大スケールひずみの相互作用が統計的性質を維持する役割を明らかにすること。

提案手法

• 大規模成分を特定的に除去した高レイノルズ数乱流の数値的または理論的解析。
• 速度増分の統計的性質を定量化するため、偶数次および奇数次両方の構造関数の計算。
• 非ガウス性とインタミットェンシーの評価に、歪度とフラットネスを主要診断指標として使用。
• 観察された変化を説明するため、大スケールひずみと小スケールエネルギー間のエネルギー移動メカニズムの分析。
• 従来のコルゴゴロフキャスケード理論の予測と結果を比較。
• 歪度の減少に対しフラットネスが保持される理由を、大スケールひずみと小スケールエネルギーのバランスに注目して分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模運動の除去が、慣性範囲における速度増分の構造関数にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ奇数次構造関数、特に歪度が偶数次関数（フラットネス）よりも強く影響を受けるのか？
• RQ3 なぜ歪度が顕著に減少する中でもフラットネスが維持されるのか？物理的メカニズムは何か？
• RQ4 小スケールエネルギーと大スケールひずみの相互作用が、観察された統計的挙動にどのように寄与しているか？
• RQ5 これらの結果は、高レイノルズ数乱流における従来の前向きエネルギーキャスケード像をどの程度挑戦するか？

主な発見

• 大規模運動が除去されると、奇数次構造関数、特に速度増分の歪度が強く減少する。
• 偶数次構造関数、例えばフラットネスは比較的変化が小さく、非ガウス性の指標としての頑健性が示された。
• 歪度の減少は、小スケールエネルギーと大スケールひずみ率の相互作用によって相殺されている。
• 結果から、大スケールダイナミクスが慣性範囲の統計的性質を形作る非自明な役割を果たしていることが示唆される。
• 従来の単純な前向きキャスケード像に反し、大スケールフィードバックが小スケールインタミットェンシーに影響を与えうることを示唆する。
• 歪度の抑制にもかかわらずフラットネスが維持されることから、異なる統計的指標が大スケール摂動に対して異なる反応を示すことが示された。