[论文解读] Direct numerical simulation of the very large anisotropic scales in a turbulent channel

Juan C. del Álamo, Javier Jiménez|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2013

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 12被引用 21

一句话总结

本研究首次对 Reτ = 550 的湍流通道流进行了直接数值模拟，采用足够大的计算域以解析外层中的非常大尺度各向异性结构（VLAS）。通过谱方法和高分辨率网格，结果表明 VLAS 携带显著的湍流动能和雷诺应力，挑战了以往认为其为“非活跃”的假设，证实其在壁面湍流中作为主动的动量传递结构发挥关键作用。

ABSTRACT

Over the last decades the knowledge on the small scales of turbulent wall flows has experienced a significant advance, especially in the near-wall region where the highest production of turbulent energy and the maximum turbulence intensity occur. The development of computers has played an important role in this progress, making direct numerical simulations affordable (Kim, Moin & Moser, 1987), and offering wider observational possibilities than most laboratory experiments. The large scales have received less attention, and it has not been until recently that their significance and their real size have been widely recognized, thanks in part to the experiments by Hites (1997) and Kim & Adrian (1999), and to the compilation of experimental and numerical data by Jimenez (1998). The requirements of both a very large box and a high Reynolds number has made direct numerical simulation of the VLAS unapproachable until today. The purpose of this report is to serve as a preliminary description of a newly compiled numerical database of the characteristics of the large scales in turbulent channel flow at moderate Reynolds numbers.

研究动机与目标

• 解析湍流通道流中因尺寸过大和计算成本过高而长期被忽略的非常大尺度各向异性结构（VLAS）
• 探究 VLAS 是否如以往假设的那样在携带雷诺应力和湍流动能方面真正‘非活跃’
• 利用高分辨率直接数值模拟，确定 VLAS 在流体外层的尺度和空间特性
• 评估 VLAS 在动量传输中的作用及其对近壁湍流尺度行为的潜在影响
• 为未来关于壁面湍流中大尺度结构的研究提供基准数值数据库

提出的方法

• 对 Reτ = 550 和 Reτ = 180 的平面通道中不可压湍流流动进行直接数值模拟（DNS），采用完全谱数值代码
• 在流向和展向使用去混叠的傅里叶展开，在壁面法向使用切比雪夫多项式以实现高精度
• 采用大小为 8πh × 2h × 4πh（Lx × Ly × Lz）的大计算域，以避免对最大尺度结构的人为限制
• 计算预乘的一维谱（kxEuu1D, kzEww1D）及能量在不同尺度上的分布，以识别 VLAS 的特征
• 分析结构参数 σuv = Euv / (Euu E vv)1/2，以量化大尺度运动的动量传输效率
• 将结果与先前模拟（如 Moser et al., 1999）及实验数据对比，以验证 VLAS 表征的分辨率和物理解释力

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流通道流中的非常大尺度各向异性结构（VLAS）是否携带显著的湍流动能和雷诺应力，从而与‘非活跃’假设相矛盾？
• RQ2 VLAS 的空间尺度和能量分布如何随壁面法向距离和雷诺数变化？
• RQ3 VLAS 在动量传输中的作用如何，其量化指标为结构参数 σuv？
• RQ4 所观测到的 VLAS 是否可由源自衰减各向同性结构的尾迹模型加以解释？
• RQ5 VLAS 对近壁湍流统计量（如 ⟨u′²⟩）的尺度行为影响有多大？”

主要发现

• 湍流通道流外层中的 VLAS 在流向长度上可延伸至 2–5h，携带了总湍流动能的显著比例
• 预乘的一维谱显示两个明显峰值：一个在壁面单位（缓冲层条带），另一个在外层单位（VLAS），且随雷诺数增加而增强
• 对于 VLAS，结构参数 σuv 趋近于 1，表明其在动量传输方面极为高效，因此在 Townsend 意义上为‘活跃’
• VLAS 被发现极高，甚至可延伸至壁面，可能解释了近壁湍流强度的雷诺数依赖性
• 壁面法向速度分量 v 的能量随长波长 λx 呈 1/λx 衰减，但互谱行为关键取决于 σuv，而 VLAS 的 σuv 值始终保持较高
• 所提出的尾迹模型可将 VLAS 解释为紧凑各向同性结构的对流衰减尾迹，暗示其各向异性和持久性的物理解释