无剪切湍流合并的结构

《Journal of Fluid Mechanics》：Structure of shearless turbulent merging

湍流合并多尺度特性研究。通过直接数值模拟分析无平均剪切两股湍流前沿合并过程，揭示初始线性衰减区与快速合并区的演化规律，发现条件平均涡量能谱偏离典型湍流/非湍流界面特征，证实湍流合并涉及大尺度结构主导与小尺度涡旋相互作用的多尺度过程。

　　

摘要

本文通过直接数值模拟研究了两个无平均剪切的湍流前沿的合并过程。这些湍流流场是通过从前驱模拟中得到的均匀各向同性湍流（HIT）的瞬时速度场作为空间演化湍流合并的入口条件来创建的。初始时，这两个湍流前沿之间的距离为$H$，并且它们以一个均匀的自由流速度$U_{\infty }$进行运动。入口湍流强度的范围为$0.24 \leqslant u^{\prime}/U_{\infty } \leqslant 0.47$，而入口泰勒尺度雷诺数的范围为$151 \leqslant \textit{Re}_{\lambda } \leqslant 317$。随着流动沿流向发展，可以识别出两个不同的区域：(i) 一个初始的线性衰减区域，在这个区域中，两个湍流前沿逐渐靠近，但没有明显的相互作用；(ii) 一个快速衰减区域，在这个区域中，相对的湍流前沿相互影响并最终合并。当沿流向坐标重新缩放为$x^{+} = (x/H) (u^{\prime}/U_{\infty })$时，流动统计特性趋于一致，这表明合并位置是由大尺度因素决定的。针对发展中的湍流/非湍流界面（TNTIs）的分析表明，在合并区域内，条件平均涡量剖面与“经典”TNTIs中的剖面有所不同，表明流动在局部更加均匀。在这个相互作用区域内，TNTI的表面积增加，而无旋流体的体积逐渐减少，从而产生了细尺度结构。这些发现支持了湍流合并是一个多尺度过程的观点，其中最大和最小的运动尺度都参与了这一过程。

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