New perspectives of universality and dynamics of homogeneous turbulence at high Reynolds number

高雷诺数均匀湍流的普遍性和动力学的新视角

基本信息

批准号：
20K03763
负责人：
芳松克則
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

流れの非線形性が粘性効果に比べ十分強い乱流（高レイノルズ数乱流）では，エネルギーの大部分を保有する大きなスケールより十分小さなスケールにおいて普遍的構造があると考えられている。高レイノルズ数乱流における小スケールの普遍的構造について，計算物理学的手法および理論解析を用いて研究を行う。規範的な乱流である周期境界条件下の3次元非圧縮性乱流を対象とする。直接数値計算(DNS)には，高精度高解像度の場が得られる，エリアスエラーを除去したフーリエスペクトル法および4次精度ルンゲクッタ法を用いる。本研究の目的は，DNSおよび理論解析により，3次元非圧縮一様乱流における (A) 非等方外力の乱流の小スケールへの影響に関する普遍的性質，(B) 強い渦構造の乱流統計やエネルギー輸送への影響，(C) 乱流の動力学，非ガウス性の起源を解明することである。速度相関スペクトルにおいて，線形応答理論とe-Z-H分解の対応を調べた。また，非等方外力として一様磁場下のローレンツ力を課した，ヘリシティをもつ低磁気レイノルズ数非圧縮一様乱流の長時間DNSを実行した。さらに，平均スカラー勾配下の一様なパッシブスカラー乱流場への影響について，DNSにより調べた。シュミット数は１とした。平均スカラー勾配による，速度濃度3次相関関数に対するinertial convective rangeにおける影響に関するべき則を次元解析により求めた。DNSデータの長時間時間平均により得られた結果と理論予測とがおおむね一致した。

在与粘性效应（高雷诺数湍流）相比，流动非线性足够强的湍流中，人们认为在比大尺度小得多的尺度上存在通用结构，从而保留了大部分能量。我们使用计算物理方法和理论分析研究高雷诺数湍流中的小尺度通用结构。目标是周期性边界条件下的三维不可压缩湍流，是典型的湍流。对于直接数值计算（DNS），我们使用消除混叠误差的傅里叶谱方法和提供高精度、高分辨率场的四阶精度龙格-库塔方法。本研究的目的是通过 DNS 和理论分析来研究（A）各向异性外力对小尺度湍流影响的普遍性质，以及（B）三维不可压缩均匀湍流中强涡结构的湍流。目的是阐明对流量统计和能量传输的影响、(C) 湍流动力学以及非高斯性的起源。我们研究了速度相关谱中线性响应理论与 e-Z-H 分解之间的对应关系。我们还对具有螺旋性的低磁雷诺数不可压缩均匀湍流进行了长期 DNS 分析，将均匀磁场下的洛伦兹力作为各向异性外力施加。此外，利用DNS研究了平均标量梯度下对均匀被动标量湍流场的影响。施密特数设置为 1。通过量纲分析确定了惯性对流范围内平均标量梯度对速度-浓度三次相关函数影响的幂律。 DNS数据的长期时间平均得到的结果与理论预测基本一致。