自由面下均匀湍流的结构与能量传递

我们研究了位于准平坦自由面下的湍流， focus 于能量在空间和跨尺度上的传递。我们利用一个 large zero-mean-flow 水槽，其中通过随机激活喷嘴产生均匀湍流。我们探索了广泛的雷诺数范围，达到足够的尺度分离，使惯性子区间得以出现。与以往研究不同，本文的强迫作用延伸至 source 层，但自由面变形仍保持亚毫米尺度。沿自由面法向平面进行的粒子图像测速（PIV）分辨从耗散尺度到积分尺度。垂直和水平速度分量对湍流动能的贡献随雷诺数增加而趋近于基于 rapid distortion theory 的预测，这表明以往研究之间的差异很大程度上源于强迫方式的不同。在理论观点之外，水平涨落的积分尺度随着靠近自由面的距离而增大。这根源于自由面对跨尺度能量传递的深远影响：在水平分离上，水平涨落的直接能量级联受阻，而垂直涨落的反向能量级联得以建立。这与上升流和下降流的结构有关。前者以较大的空间范围和更强的强度为特征，associated with 沿平行于面的伸展运动。它们因此将能量传递给更大的水平尺度，凌驾于促使 eddies 压缩（及随之垂直拉伸）的下降流之上。这两种结构延伸至介于积分尺度和 Taylor 微尺度之间的深度。