[论文解读] Geometry and organization of coherent structures in stably stratified atmospheric boundary layers

Abhishek Harikrishnan, Cedrick Ansorge+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 4

一句话总结

本研究提出一种多层级渗透（MLP）分析方法，基于Q准则对稳定层结的大气边界层（ABLs）中的相干结构进行几何分类，实现湍流与非湍流区域的分离。结果表明，管状与片状结构在不同层结层次中持续存在，全局间歇性影响所有ABL层次，非湍流区域则存在有序的条带结构及聚集的爆发/涌流事件，尤其在强层结条件下更为显著。

ABSTRACT

Global intermittency is observed in the stably stratified Atmospheric Boundary Layer (ABL) and corresponds to having large nonturbulent flow regions to develop in an otherwise turbulent flow. In this paper, the differences between continuous and intermittent turbulence are quantified with the help of coherent structures. Eight classes of coherent structures are identified from literature, most of which are indicated by scalar criteria derived from velocity fields. A method is developed to geometrically classify structures into three categories: blob-like, tube-like or sheet-like. An alternate definition of the intermittency factor $\\gamma$ based on coherent structures is introduced to separate turbulent and nonturbulent parts of a flow. Applying this conditioning technique and the geometrical characterization on direct numerical simulations (DNS) of an Ekman flow, we find the following: (i) structures with similar geometries (either tube-like or sheet-like) are found regardless of the strength of stratification; (ii) global intermittency affects all regions of the ABL - viscous sublayer, buffer layer, inner, and outer layer; (iii) for the highly stratified case, sweep/ejection pairs form well-separated clusters within the viscous sublayer which can possibly explain the abundance of hairpin-like vortices with a particular orientation; (iv) nonturbulent regions are occupied with streamwise velocity fluctuations and there is a switch between high- and low-speed streaks at a particular height for all stratified cases.

研究动机与目标

• 为解决传统间歇性因子在捕捉稳定层结大气边界层中湍流/非湍流区域三维几何特征方面的局限性。
• 基于其三维形态，发展一种对相干结构（球状、管状或片状）进行几何分类的方法。
• 量化相干结构在不同ABL子层（粘性底层、缓冲层、内层、外层）中对全局间歇性的贡献。
• 探究层结强度如何改变相干结构（如爆发/涌流、发夹涡）的空间组织与几何形态。
• 提出一种基于相干结构几何形态的改进间歇性因子γ，实现对直接数值模拟（DNS）数据中湍流与非湍流区域更精确的划分。

提出的方法

• 应用Q准则识别稳定层结大气边界层中Ekman流的旋涡结构，通过设定阈值分离出旋转（湍流）区域。
• 开发多层级渗透（MLP）分析方法，以解析结构的分层聚类，尤其适用于存在大块非湍流区域的强层结流场。
• 在多个阈值下进行渗透分析，计算平均分形维数⟨Dα⟩、最大结构体积Vmax及总体积V。
• 基于各阈值下Vmax/V的最小值设定停止准则：若min(Vmax/V) > 0.5，则认为结构简单并予以保留；否则递归处理。
• 通过在阈值化标量场上应用盒计数法，提取特征长度尺度，对结构进行几何分类，区分球状、管状与片状形态。
• 对流场施加相干结构条件，计算一种新型间歇性因子γ，以基于几何特征的方法替代传统的基于峰度的处理方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稳定层结的大气边界层中，相干结构（球状、管状、片状）的几何形态如何随层结强度的增加而变化？
• RQ2 全局间歇性（以大块非湍流区域为特征）在多大程度上影响ABL的不同子层（粘性底层、缓冲层、内层、外层）？
• RQ3 在强层结条件下，爆发/涌流对对的配对如何组织相干结构？其与观察到的大量发夹状涡旋的形成和取向有何关联？
• RQ4 在不同层结强度下，流向速度脉动与条带结构在非湍流区域中如何组织？
• RQ5 能否定义一种基于几何的间歇性因子γ，并用于比传统方法更准确地分离湍流与非湍流流动区域？

主要发现

• 具有相似几何形态的结构（尤其是管状与片状）在所有层结强度下持续存在，表明几何组织对层结强度变化具有鲁棒性。
• 全局间歇性影响所有ABL子层，包括粘性底层、缓冲层、内层与外层，挑战了间歇性仅限于外区的假设。
• 在强层结情况下（S_1），爆发/涌流对在粘性底层内形成明显分离的簇，可能解释了发夹状涡旋的优先形成与取向。
• 非湍流区域主要由流向速度脉动占据，所有层结条件下均在特定高度出现高、低速条带之间的清晰转换。
• 所提出的多层级渗透（MLP）分析方法成功解析了相干结构的分层聚类，即使在存在大块非湍流区域的强间歇性流场中，也能实现精确的几何分类。
• 基于相干结构几何形态的新型间歇性因子γ，相比传统基于峰度的方法，提供了更符合物理意义且空间分辨率更高的湍流与非湍流区域划分。