[论文解读] The effects of large scales on the inertial range in high-Reynolds-number turbulence

Katepalli R. Sreenivasan, Brindesh Dhruva+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 1999

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 10被引用 5

一句话总结

本研究通过选择性去除大尺度分量，探究大尺度运动如何影响高雷诺数湍流中的惯性区。研究发现，奇数阶结构函数，尤其是速度增量的偏度，显著降低，而峰度则基本保持不变，表明小尺度能量与大尺度应变率的相互作用可抵消偏度降低的影响，从而对传统的能量级联图像提出挑战。

ABSTRACT

The effects of removing large scales external to the inertial range on the properties of scales within the inertial range are studied in a high-Reynolds-number turbulent flow. Structure functions of both even and odd orders are strongly affected across the entire inertial range, but odd-order moments are affected to a greater degree. In particular, the skewness of velocity increments shows a significant reduction whereas the flatness changes comparatively little. The reduction in skewness is counterbalanced essentially by the interaction between the small-scale energy and the large-scale rate of strain. The implications of these results for the conventional cascade picture are examined briefly.

研究动机与目标

• 理解大尺度运动对高雷诺数湍流中小尺度湍流特性的影响。
• 研究去除大尺度分量后，结构函数在惯性区的变化。
• 评估对奇数阶与偶数阶矩的影响，特别是速度增量的偏度与峰度。
• 探讨对湍流中传统正向能量级联模型的影响。
• 探讨小尺度能量与大尺度应变之间相互作用在维持统计特性中的作用。

提出的方法

• 对选择性去除大尺度分量的高雷诺数湍流流动进行数值或理论分析。
• 计算偶数阶与奇数阶结构函数，以量化速度增量的统计特性。
• 使用偏度与峰度作为关键诊断工具，评估惯性区中的非高斯性与间歇性。
• 分析大尺度应变与小尺度能量之间的能量传递机制，以解释观测到的变化。
• 将结果与柯尔莫哥洛夫级联理论的预测进行比较。
• 聚焦于大尺度应变与小尺度能量之间的平衡，以解释峰度在偏度降低下仍保持稳定的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 去除大尺度运动后，对惯性区中速度增量的结构函数有何影响？
• RQ2 为何奇数阶结构函数，特别是偏度，比偶数阶结构函数（如峰度）受到更强烈的影响？
• RQ3 何种物理机制在偏度显著降低的同时维持了峰度的稳定？
• RQ4 小尺度能量与大尺度应变之间的相互作用如何影响观测到的统计行为？
• RQ5 这些结果在多大程度上挑战了高雷诺数湍流中传统的正向能量级联图像？

主要发现

• 当大尺度运动被去除时，奇数阶结构函数，尤其是速度增量的偏度，显著降低。
• 偶数阶结构函数（如峰度）变化相对较小，表明非高斯性度量具有较强韧性。
• 偏度的降低被小尺度能量与大尺度应变率之间的相互作用所抵消。
• 结果表明，大尺度动力学在塑造惯性区的统计特性方面起着非平凡的作用。
• 研究结果挑战了纯粹正向级联的传统观点，表明大尺度反馈可能影响小尺度间歇性。
• 尽管偏度被抑制，峰度仍保持不变，暗示不同统计度量对大尺度扰动的响应方式不同。