[论文解读] Rayleigh-Taylor turbulence is nothing like Kolmogorov's in the self similar regime

Olivier Poujade|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2006

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 1

一句话总结

本文挑战了瑞利-泰勒（RT）湍流遵循柯尔莫哥洛夫各向同性湍流理论的假设，表明RT混合层表现出由浮力驱动的显著自相似动力学。作者提出了一种与数值模拟和实验一致的新机制，表明RT湍流在能量级联和标度律方面与经典的柯尔莫哥洛夫型湍流根本不同。

ABSTRACT

An increasing number of numerical simulations and experiments describing the turbulent spectrum of Rayleigh-Taylor (RT) mixing layers came to light over the past few years. Results reported in recent studies allow to rule out a turbulence {\\it \\`a la Kolmogorov} as a mechanism acting on a self similar RT turbulent mixing layer. A different mechanism is presented, which complies with both numerical and experimental results and relates RT flow to other buoyant flows.

研究动机与目标

• 研究自相似混合层中的瑞利-泰勒（RT）湍流是否符合柯尔莫哥洛夫的普遍湍流理论。
• 解决RT湍流能谱的实验与数值模拟结果与经典柯尔莫哥洛夫预测之间的差异。
• 提出一种替代理论框架，将RT湍流解释为浮力驱动过程，而非柯尔莫哥洛夫型级联。
• 通过一致的标度机制将RT流与其它浮力湍流系统统一起来。

提出的方法

• 分析RT混合层的数值模拟和实验数据，以提取能量谱和标度行为。
• 将观测到的能量谱标度指数与柯尔莫哥洛夫1941年理论预测的指数进行比较。
• 识别惯性区标度中的偏差，从而排除柯尔莫哥洛夫型能量级联的可能性。
• 提出一种基于浮力驱动湍流的新理论模型，其中能量级联由浮力时间尺度而非局域各向同性决定。
• 建立所提机制与RT流中观测到的自相似行为之间的一致性。
• 通过共享的标度律和无量纲参数，将RT流动力学与其它浮力流联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 自相似瑞利-泰勒混合层的能量谱是否遵循柯尔莫哥洛夫的-5/3次幂律？
• RQ2 若非柯尔莫哥洛夫的局域各向同性级联，RT湍流中的能量级联由何种机制主导？
• RQ3 RT湍流中的标度指数与经典均匀各向同性湍流中的标度指数相比有何异同？
• RQ4 能否建立一个统一的理论框架，描述RT湍流及其他浮力流？
• RQ5 浮力在塑造RT混合层自相似动力学中起何种作用？

主要发现

• 自相似瑞利-泰勒混合层中的能量谱不遵循柯尔莫哥洛夫的-5/3标度律，与经典湍流理论相矛盾。
• 观测到的RT湍流标度指数与柯尔莫哥洛夫理论所要求的局域各向同性和均匀性假设不一致。
• 与柯尔莫哥洛夫型级联相比，浮力驱动机制更能解释RT流中观测到的能量分布和自相似演化。
• 所提机制与数值模拟和实验数据一致，解决了RT湍流建模中长期存在的差异。
• RT湍流与其它浮力流具有相似的标度特征，表明存在共同的物理机制。
• RT湍流的自相似状态由不同的能量级联过程主导，其中浮力时间尺度超过粘性或惯性效应。