渐趋湍流的稳定分层剪切层中相干涡结构的演化
流体动力学
2022-09-07 v1
摘要
我们研究了渐趋湍流的稳定分层剪切层中欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用。我们分析了在分层倾斜管道实验室实验中获得的三维同步速度与密度场。我们跨 15 个数据集追踪了相干结构从湍流前 Holmboe 波、经间歇湍流到完全湍流与混合的演化。我们使用涡量场的 Rortex–Shear 分解，将其分解为纯旋转部分（rortex 矢量）和非旋转部分（shear 矢量）。我们描述了普遍存在的发夹状涡结构（由 rortex 揭示）的形态，类似于边界层湍流中常见者。这些结构诞生于受限 Holmboe 波强三维剪切结构周围的较弱涡，并在不断增强的湍流中逐渐增强和变形，转化为在剪切层上下边缘反向传播的一对向上和向下指向的发夹。每个发夹的一对腿为反向旋转，并横向和垂直卷吸流体，其拱起的“头部”为横向涡，垂直卷吸流体。我们进而阐明这种大尺度涡形态如何搅动和混合密度场。本质上，位于混合层两侧尖锐密度界面上的涡（多为发夹头部）将未混合流体团吞入混合层，而混合层内部的涡（多为发夹腿）进一步搅动，产生强小尺度剪切，增强混合。这些发现为湍流相干结构在剪切驱动分层混合中的作用提供了新见解。
引用
@article{arxiv.2203.11030,
title = {The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers},
author = {Xianyang Jiang and Adrien Lefauve and Stuart B. Dalziel and P. F. Linden},
journal= {arXiv preprint arXiv:2203.11030},
year = {2022}
}