[论文解读] Impact of stratification mechanisms on turbulent characteristics of stable open-channel flows

Cheng-Nian Xiao, Inanc Senocak|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 58被引用 3

一句话总结

本研究通过直接数值模拟（DNS）研究了两种不同的层结机制——表面冷却和施加的环境温度梯度——对稳定开放渠道流湍流特性的影响。通过保持恒定质量流量，作者隔离了层结的影响，表明在低通量理查森数下，组合机制与莫林-奥布霍夫相似性理论（MOST）存在显著偏差，且无量纲层结扰动数在弱稳定流中起关键控制参数作用。

ABSTRACT

Flow over a surface can be stratified by imposing a fixed mean vertical temperature (density) gradient profile throughout or via cooling at the surface. These distinct mechanisms can act simultaneously to establish a stable stratification in a flow. Here, we perform a series of direct numerical simulations of open-channel flows to study adaptation of a neutrally stratified turbulent flow under the combined or independent action of the aforementioned mechanisms. We force the fully developed flow with a constant mass flow rate. This flow forcing technique enables us to keep the bulk Reynolds number constant throughout our investigation and avoid complications arising from the acceleration of the bulk flow when a constant pressure gradient approach were to be adopted to force the flow instead. When both stratification mechanisms are active, the dimensionless stratification perturbation number emerges as an external flow control parameter, in addition to the Reynolds, Froude, and Prandtl numbers. We demonstrate that significant deviations from the Monin-Obukhov similarity formulation are possible when both types of stratification mechanisms are active within an otherwise weakly stable flow, even when the flux Richardson number is well below 0.2. An extended version of the similarity theory due to Zilitinkevich and Calanca shows promise in predicting the dimensionless shear for cases where both types of stratification mechanisms are active, but the extended theory is less accurate for gradients of scalar. The degree of deviation from neutral dimensionless shear as a function of the vertical coordinate emerges as a qualitative measure of the strength of stable stratification for all the cases investigated in this study.

研究动机与目标

• 研究双重层结机制（表面冷却与施加的环境温度梯度）对稳定开放渠道流中湍流特性的影响。
• 解决现有模型（如莫林-奥布霍夫相似性理论，MOST）的局限性，这些模型假设层结仅由表面通量引起。
• 评估扩展相似性理论（如Zilitinkevich和Calanca提出的理论）在双重层结机制下的表现。
• 考察流动强迫方法（恒定压力梯度与恒定质量流量）对稳定层结流中湍流演化与统计特性的影响。

提出的方法

• 对具有恒定质量流量的充分发展开放渠道流进行直接数值模拟（DNS），以保持固定的总体雷诺数。
• 应用两种不同的层结机制：(1) 表面冷却以诱导浮力通量，(2) 施加固定的平均垂直温度（密度）梯度以实现环境层结。
• 使用无量纲层结扰动数作为外部控制参数，表征两种机制的综合效应。
• 将结果与莫林-奥布霍夫相似性理论（MOST）及Zilitinkevich和Calanca提出的扩展版本进行比较，以评估预测准确性。
• 分析整个垂直域内无量纲剪切与标量梯度，量化其与中性湍流行为的偏差。
• 采用一致的初始中性流（Reτ0 = 180），并跟踪无量纲时间 t∗ = t/u∗0 的演化过程，以确保各案例间的可比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时存在表面冷却与环境温度梯度层结机制时，它们如何影响稳定开放渠道流中的湍流结构？
• RQ2 在双重层结条件下，莫林-奥布霍夫相似性理论及其Zilitinkevich和Calanca扩展形式在预测观测到的湍流特性方面有多大的准确性？
• RQ3 流动强迫方法的选择（恒定压力梯度与恒定质量流量）如何影响稳定层结流中湍流的演化与统计平稳性？
• RQ4 当两种机制同时作用时，无量纲层结扰动数在表征稳定层结强度方面起什么作用？
• RQ5 在双重层结条件下，归一化的湍流动能与速度方差剖面与中性流行为相比有何偏离？

主要发现

• 当表面冷却与环境温度梯度机制同时存在时，无量纲层结扰动数成为除雷诺数、弗劳德数和普朗特数之外的关键外部控制参数。
• 即使在通量理查森数低于0.2时，两种层结机制共存也会导致与莫林-奥布霍夫相似性理论的显著偏差，表明MOST在该区域存在局限性。
• Zilitinkevich和Calanca提出的扩展相似性理论在预测双重层结下的无量纲剪切方面表现良好，但其在标量梯度剖面预测中的准确性下降。
• 相对于中性无量纲剪切的垂直坐标函数偏差程度，可作为所有案例中稳定层结强度的稳健定性指标。
• 在恒定质量流量强迫下，Reτ下降至初始值的88%（Reτ = 159）并趋于稳定；而在恒定压力梯度下，由于流速加速，Reτ恢复至初始值，凸显了强迫方法的关键作用。
• 两种强迫方式下的湍流动能（TKE）剖面在近壁区与中性情况高度一致，但在 y/H > 0.5 区域值降低，表明为弱稳定层结，且未出现层流化。