[論文レビュー] Wave Particle Turbulent Simulation of Spatially Developing Round Jets Using a Non Equilibrium Transport Model with a Mixing Length Characteristic Time Closure

Xiaojian Yang, Kun Xu|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2026

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、粗格子上で波と粒子成分を結合させる動的・非平衡乱流モデルであるWPTSを提示します。ジェット流の特性時間閉塞として混合長さに基づく手法を適用し、Re=5,000および20,000でジェット類似性と乱流特徴を再現します。

ABSTRACT

In this paper, the wave-particle turbulent simulation (WPTS), a recently developed multiscale, non-equilibrium turbulence modeling approach, is coupled with a turbulence characteristic-time closure derived from Prandtl mixing-length hypothesis and applied to spatially developing round jets. In WPTS, fluid elements in strongly turbulent regions are represented by Lagrangian particles that travel a finite distance before interacting with the background flow field represented in a wave-like (Eulerian) form. This mechanism bears conceptual similarity to the discrete fluid parcels invoked in the Prandtl mixing-length picture. WPTS differs from conventional mixing-length-based turbulence models in two key respects. First, particle evolution follows a non-equilibrium transport mechanism, rather than the equilibrium assumptions typically embedded in eddy-viscosity closures. Second, WPTS advances the wave and particle components in a coupled manner, with the particle fraction governed primarily by the modeled turbulence characteristic time, enabling laminar and turbulent regimes to be represented within a unified framework. Because spatially developing jets provide a canonical test case with well-established similarity behavior, they are used here for evaluation. Specifically, this work (1) develops a mixing-length-based characteristic-time model tailored to jet flows and (2) incorporates it into WPTS to assess predictive performance. The resulting WPTS framework accurately reproduces the jet similarity solution and other characteristic features at Reynolds numbers of 5,000 and 20,000, demonstrating the promise of WPTS as a practical tool for turbulence modeling and simulation.

研究の動機と目的

• 空間発展円形ジェットに適合する混合長さベースの乱れ特徴時間モデル（tau_t）を開発する。
• tau_t閉包をWave-Particle Turbulent Simulation（WPTS）フレームワークに組み込む。
• 中程度のレイノルズ数でジェット類似性挙動に対するWPTS予測を評価する。
• 粗格子上のWPTSが主要なジェット特徴と遷移挙動を再現できることを示す。

提案手法

• 流体要素の分布を結合波（オイラー）と粒子（ラグランジュ）説明で表現する動的BGKベースの方程式を用いる。
• セル境界でのガス運動スキーム（GKS）と第五次オーダーWENO-AO再構成を用いて波フラックスを計算する。
• 解決されていない乱れを、tau_n = tau + tau_tで表される非平衡緩和時間に従って輸送される確率的粒子で表す。
• tau_tをPrandtlの混合長仮説からtau_t = ρν_t / pとしてモデル化し、ν_t = (C_ml l)^2 |S| および l = sqrt(D x) + b_ml。
• 波と粒子成分を結合的に進める；粒子は travelling time t_f 後に除去され、それらの保存量が波場へ再沈着される。
• 粒子サンプリングによる乱れ生成を提供し、粒子の運動による流動情報の非局所輸送を追跡する。

Figure 1: The instantaneous snapshot of vorticity $\omega_{z}=V_{x}-U_{y}$ in WPTS at $t=1650$ for $xoy$ plane with $z=0$ . The presented domain is around $[0,32D]\times[-11D,11D]$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合長さベースのtau_t閉包をWPTSに埋め込んで、Re = 5,000 および20,000で主要なジェット類似性特徴を再現できるか？
• RQ2 非平衡の波-粒子結合を持つWPTSは、空間的に発展する円形ジェットのDNS/LESベンチマークと比べて粗格子上でどの程度性能を示すか？
• RQ3 tau_tは粒子の分布とジェット芯部および外流の乱れ統計量にどの程度影響するか？
• RQ4 提案された閉包の下でWPTSは層流-乱流遷移や自己相似ジェットプロファイルを再現できるか？

主な発見

• 混合長ベースのtau_tモデルを用いたWPTSは、粗格子上でRe=5,000および20,000のジェット類似性挙動と主要な乱流特徴を再現する。
• モデル化された混合長は下流距離xと共に増加し、tau_nは下流および半径方向の減少を反映し、ジェット乱流構造と一致する。
• 粒子は中心部のより乱流な領域に集中し、下流および外側の層流領域へ向けて減少する。これによりWPTS設計に従った流れの層流回復が可能になる。
• フレームワークは生存粒子を介した流れ情報の非局所的輸送を示し、モデルの内在的な多尺度性を示唆する。
• 本研究は、標準的ジェット流の粗解像格子上での実用的乱流モデルツールとしてWPTSの可能性を確認する。