高雷诺数旋转 Waleffe 流中的大尺度结构

我们对旋转湍流 Waleffe 流（两平行板间受正弦流向剪切驱动力的流动）进行直接数值模拟，以研究大尺度结构的形成与动量输运机制。我们模拟了无量纲旋转数（逆罗斯贝数）$R_\Omega$ $\in$ $[-0.16, 2.21]$ 范围内不同的气旋与反气旋旋转，并将雷诺数固定为 $Re=3.16\times 10^3$，该值足够大，使得剪切输运几乎完全由雷诺应力导致而黏性输运可忽略。我们发现反气旋 regime 中 $R_\Omega=0.63$ 处存在最优旋转，此时在壁法向给定流向动量输运以最小的平均流向能量实现。如 Brauckmann & Eckhardt（J. Fluid Mech., 815, 2017）在平面库埃特流中所做，我们将此最优输运联系于大尺度结构的强度。此外，我们探究大尺度结构及其在展向旋转下的行为，发现 $R_\Omega =0$ 时大结构无序，而反气旋 regime 中结构高度组织化，类似于旋转平面库埃特流与湍流泰勒库埃特流中的滚胞。我们比较平面库埃特流与 Waleffe 流的大尺度结构，观察到流向涡量定域于滚胞核心内。我们表明滚胞在长时间尺度上从平均流获取能量，并将这些结构与流函数的特征值相联系。