二维 Navier-Stokes 湍流中的相干结构检测与逆级联机制
流体动力学
2023-05-31 v3
摘要
二维 Navier-Stokes 湍流中的相干结构在自然、实验和数值模拟中均普遍可见。本研究基于 Okubo-Weiss 判据、涡量大小以及拉格朗日相干结构（LCSs），对若干结构检测方案进行比较，重点关注二维流体湍流中的逆级联。近期引入的涡旋标度现象学 [B. H. Burgess, R. K. Scott, J. Fluid Mech., 811:742--756, 2017] 使得能够根据流动的物理特性量化这些方法各自所需的阈值。由此改善的可比性得以识别所采用结构检测技术之间检测灵敏度的特征性相对差异。就能量逆级联而言，相干结构正如预期那样对跨尺度通量的贡献远小于流动的残余非相干部分，尽管能量占优的相干结构导致能谱发生重要的大尺度形变。这种级联不活跃可由相干结构内应变率与亚网格应力张量错位加剧来理解。同时，这些结构表现出强烈且局域的非线性跨尺度相互作用，似乎使其稳定。我们依据多尺度梯度方法 [G. L. Eyink, J. Fluid Mech., 549:191--214, 2006] 量化并解释相干结构由此产生的形状保持，即应变旋转与涡量梯度拉伸的耗竭，而残余涨落的动力学则与涡旋变薄图像一致。
引用
@article{arxiv.2203.11336,
title = {Coherent structure detection and the inverse cascade mechanism in two-dimensional Navier-Stokes turbulence},
author = {Jiahan Wang and Jörn Sesterhenn and Wolf-Christian Müller},
journal= {arXiv preprint arXiv:2203.11336},
year = {2023}
}
备注
37 pages, 11 Figures, accepted manuscript