[论文解读] Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part II: Relaminarization

Andrew Duggleby, Kenneth S. Ball+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2006

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 9被引用 3

一句话总结

本研究通过直接数值模拟与Karhunen-Loève分解，探究了湍流管道流的重层流化动力学，发现高频外层模态首先衰减，触发振荡周期（chugging cycles），在此期间湍流瞬态状态通过壁面模态向升力模态的能量转移而重新出现。关键发现是外区高频模态对维持湍流至关重要，其衰减引发重层流化，且在Reτ = 95时完全重层流化前观察到三个振荡周期。

ABSTRACT

The dynamical behavior of propagating structures, determined from a Karhunen-Lo`eve decomposition, in turbulent pipe flow undergoing reverse transition to laminar flow is investigated. The turbulent flow data is generated by a direct numerical simulation started at a fully turbulent Reynolds number of Re_τ=150, which is slowly decreased until Re_τ=95. At this low Reynolds number the high frequency modes decay first, leaving only the decaying streamwise vortices. The flow undergoes a chugging phenomena, where it begins to relaminarize and the mean velocity increases. The remaining propagating modes then destabilize the streamwise vortices, rebuild the energy spectra, and eventually the flow regains its turbulent state. Our results capture three chugging cycles before the flow completely relaminarizes. The high frequency modes present in the outer layer decay first, establishing the importance of the outer region in the self-sustaining mechanism of wall bound turbulence.

研究动机与目标

• 理解管道流重层流化背后的动力学机制，特别是传播流动结构的作用。
• 研究在雷诺数降低过程中，模态间能量转移如何影响湍流向层流流动的转变。
• 确定不同流动结构（尤其是高频外层模态）对壁面湍流自维持特性所作的贡献。
• 研究三元相互作用与模态耦合在振荡周期中湍流重新出现过程中的作用。
• 阐明为何重层流化始于管道中心并朝内传播，将其与能量级联失效联系起来。

提出的方法

• 在Reτ = 150下对湍流管道流进行直接数值模拟（DNS），在12,000个t+单位内逐步降低至Reτ = 95。
• 应用Karhunen-Loève（KL）分解以提取传播的湍流流动结构及其能量谱。
• 通过能量谱与相位滞后分析，研究壁面、升力、非对称及环形模态之间的时间分辨能量转移。
• 通过傅里叶表示识别KL模态间的三元相互作用，其中m + m' + m'' = 0且n + n' + n'' = 0，表明能量转移路径。
• 采用谱元算法，结合高空间分辨率（近壁处Δr+ ≈ 0.49，流向Δz+ = 4.0），以确保流动场的精确解析。
• 构建能量流图，可视化环形模态与非对称模态在将能量从壁面模态传递至升力模态过程中所起的催化作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 外层高频模态的衰减动力学如何影响管道流重层流化的起始？
• RQ2 KL模态间的三元相互作用在振荡周期中湍流重新建立过程中起何作用？
• RQ3 为何重层流化始于管道中心并朝内传播？其前兆的结构变化是什么？
• RQ4 壁面模态向升力模态的能量转移如何维持湍流惯性子区？该循环因何被打破？
• RQ5 n=3行波模态在每次振荡周期中湍流重新出现时具有何种重要意义？

主要发现

• 在重层流化过程中观察到三个明显的振荡周期，每个周期均伴随湍流能量谱的瞬态恢复，最终在Reτ = 95时完全重层流化。
• 外层高频模态首先衰减，表明其在维持湍流惯性子区与自维持机制中具有关键作用。
• 负责管道中心附近湍流的升力模态在振荡周期中首先失去能量，导致中心线附近雷诺应力与均方速度剖面下降。
• 由环形模态与非对称模态催化、从壁面模态向升力模态的能量转移在重层流化过程中失效，破坏能量级联，引发流动衰减。
• 在每次振荡周期中湍流重新出现时，n=3行波模态能量最高，证实其在自维持过程中的重要性。
• 最终重层流化始于t+ ≈ 8000，此后未再发生湍流恢复，表明湍流能量级联已完全丧失。