[论文解读] Coherent structures at the origin of time irreversibility in wall turbulence

Giovanni Iacobello, Subharthi Chowdhuri+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2022

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 5

一句话总结

本研究采用欧拉系多尺度分析方法，利用水平可见图（HVGs）对壁面湍流中时间不可逆性（TI）进行研究，以量化速度时间序列中的不对称性。结果表明，时间不可逆性与相干结构密切相关：近壁区的TI主要源于小尺度缓冲层运动，而外区TI则与大尺度结构相关，首次建立了相干运动与壁面湍流中统计不可逆性之间的直接联系。

ABSTRACT

Time irreversibility is a distinctive feature of non-equilibrium phenomena such as turbulent flows, where irreversibility is mainly associated with an energy cascade process. An Eulerian, multiscale analysis of time irreversibility in wall-bounded turbulence is proposed in this study, which differs from previous works relying on a Lagrangian approach and mainly focusing on homogeneous turbulence. Outcomes reveal a strong connection between irreversibility levels and coherent structures in both turbulent channel and boundary layer flows. In the near-wall region, irreversibility is directly related to the inner spectral peak originating from small-scale turbulent structures in the buffer layer. Conversely, stronger irreversibility is found in correspondence of the outer spectral peak originating from larger turbulent flow scales far from the wall. Our results represent a first effort to characterize Eulerian TI in wall-bounded turbulent flows, thus paving the way for new developments in wall-turbulence modeling and control accounting for broken temporal symmetry.

研究动机与目标

• 探究时间不可逆性（TI）与壁面湍流中相干结构之间的关联，该问题在以往研究中尚未被探索。
• 解决以往研究多依赖拉格朗日框架（集中于均匀湍流）而缺乏欧拉系方法研究壁面湍流中TI的不足。
• 表征不同流体尺度（尤其是相干结构）在湍流通道流与边界层流中对统计不可逆性的贡献。
• 建立时间不可逆性水平与壁向方向上湍流运动空间组织结构之间的定量关联。
• 通过引入由相干结构引起的时序对称性破缺，为未来壁面湍流的建模与控制提供基础。

提出的方法

• 利用水平可见图（HVGs）将速度时间序列映射为复杂网络，其中节点代表数据点，边代表可见性关系。
• 从HVG中计算后向与前向度分布（k_b 和 k_f），以量化时间不对称性，并采用Kullback-Leibler散度作为时间不可逆性（I_k）的度量。
• 采用高通与低通滤波，将信号分解为内区（小尺度）与外区（大尺度）流动分量，实现TI的多尺度分析。
• 利用泰勒假设将湍流通道的直接数值模拟中空间速度信号（u(x)）转换为有效时间序列，同时保持HVG在仿射变换下的不变性。
• 沿展向方向（z）进行集合平均，以提高统计稳健性，同时保持空间分辨率。
• 在两种典型壁面湍流中对比结果：湍流通道流（R_τ = 2003）与高雷诺数湍流边界层（R_τ ≈ 14,750）。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间不可逆性在壁面湍流的壁向方向上如何分布？
• RQ2 相干结构（包括近壁小尺度运动与外区大尺度涡旋）在多大程度上导致了观测到的时间不可逆性？
• RQ3 速度信号的多尺度分解是否揭示了内区与外区动力学对统计不可逆性的不同贡献？
• RQ4 基于HVG的欧拉方法在捕捉壁面湍流中TI方面，与拉格朗日方法相比表现如何？
• RQ5 能否对相干结构与时间不可逆性之间的关联进行量化，并用于指导湍流建模？

主要发现

• 时间不可逆性在湍流通道流与边界层流中均与相干结构强相关，内区与外区动力学的贡献各不相同。
• 在近壁区域，TI主要由与缓冲层中小尺度湍流运动相关的内区谱峰驱动。
• 在外区，观察到更强的时间不可逆性，其来源为远离壁面的大尺度相干结构所引发的外区谱峰。
• 基于HVG的度量I_k成功捕捉了多尺度不可逆性，滤波分析表明，高通（内区）与低通（外区）分量对整体TI的贡献具有非加性特征。
• 结果表明，壁面湍流中的统计不可逆性不仅源于能量级串，还源于壁面组织的相干运动的时空动力学。
• 本研究首次建立了分析壁面湍流中TI的定量欧拉系框架，凸显了相干结构在破坏时序对称性中的关键作用。