Каскадная модель турбулентной вязкости для пограничного слоя
Автор: Селуков Дмитрий Григорьевич, Степанов Родион Александрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
Задача численного моделирования развитых турбулентных течений обычно сводится к формулировке того или иного замыкания уравнений среднего поля. Универсальное решение этого вопроса вряд ли существует, тем не менее разработка подхода исходя из общих принципов остается актуальной темой исследований. В данной статье предлагается модель, в которой турбулентная вязкость описывается через характеристики пульсаций поля скорости, рассчитываемые на основе каскадных моделей турбулентности. Эти модели корректно воспроизводят распределение энергии турбулентности по масштабам и спектральные потоки энергии для гидродинамических течений различной физической природы. При построении каскадных моделей используются такие свойства полной системы уравнений, как симметрия и соблюдение законов сохранения, а также приближение однородной и изотропной турбулентности. Феноменологические соотношения, предполагающие конкретные спектральные законы, не привлекаются. В разработанном подходе сделана попытка определить турбулентную вязкость при сохранении универсальности и гибкости каскадных моделей. Выполненная математическая постановка является совокупностью моделей крупного (уравнение среднего поля), мелкого (каскадная модель) масштабов и замыкающих соотношений. В модели осуществлено энергетическое сопряжение переменных различных масштабов, которое обеспечивает нелинейную связь полей разного уровня. Учет влияния среднего поля на распределение энергии турбулентных пульсаций - отличительная черта предлагаемого подхода. Получены численные решения для течения в плоском бесконечном канале при различных числах Рейнольдса. Показано, что результаты согласуются с современными представлениями о логарифмическом профиле поля скорости в пристеночном слое. Обоснован физический смысл параметров модели. Найдены асимптотические решения, качественно соответствующие модели Прандтля
Численное моделирование турбулентности, каскадные модели, пограничный слой
Короткий адрес: https://sciup.org/143179346
IDR: 143179346 | УДК: 532.526.4 | DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.3.28
Shell model of turbulent viscosity for the boundary layer
The problem of numerical simulation of developed turbulent flows is usually reduced to the choice of one or another closure of the mean field equations. It is hardly possible to find a universal solution to this issue; nevertheless, the development of an approach based on general principles remains an active research topic. This paper proposes a model of turbulent viscosity described in terms of the characteristics of velocity field fluctuations calculated on the basis of shell models. These models reproduce correctly the scale distribution of the turbulent energy and the spectral energy fluxes for hydrodynamic flows of various physical nature. Shell models are constructed using symmetry properties and conservation laws of the complete system of equations, as well as an assumption on homogeneity and isotropy of turbulence. Phenomenological relations implying specific spectral laws are not involved. In the developed approach, we did an attempt to determine the turbulent viscosity, while maintaining the universality and flexibility of shell models. The resulting mathematical formulation is a set of models for large (mean field equation) and small (cascade model) scales, as well as closing relations. The model implements energy conjugation of variables of different scales, which provides a nonlinear relation of fields at different levels. Taking into account the influence of the mean field on the energy distribution of turbulent fluctuations is a distinctive feature of the proposed approach. Numerical solutions are obtained for the flow in a plane infinite channel at various Reynolds numbers. It is shown that the obtained results are consistent with modern concepts of the logarithmic profile of the velocity field in the boundary layer. The physical meaning of model parameters is substantiated. Asymptotic solutions that qualitatively correspond to the Prandtl model are found.
Список литературы Каскадная модель турбулентной вязкости для пограничного слоя
- Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. М.-Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2010. 332 с.
- Tazraei P., Girimaji S.S. Scale-resolving simulations of turbulence: Equilibrium boundary layer analysis leading to near-wall closure modeling // Phys. Rev. Fluids. 2019. Vol. 4. 104607. http://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.104607
- Duraisamy K., Iaccarino G., Xiao H. Turbulence modeling in the age of data // Annu. Rev. Fluid Mech. 2019. Vol. 51. P. 357-377. http://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010518-040547
- Yokoi N. Turbulence, transport and reconnection // Topics in magnetohydrodynamic topology, reconnection and stability theory / Ed. D. MacTaggart, A. Hillier. Springer, 2020. P. 177-265. http://doi.org/10.1007/978-3-030-16343-3_6
- Обухов А.М. О некоторых общих характеристиках уравнений динамики атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 7. С. 695-704.
- Lorenz E.N. Low order models representing realizations of turbulence // J. Fluid Mech. 1972. Vol. 55. P. 545-563. http://doi.org/10.1017/S0022112072002009
- Гледзер Е.Б. Система гидродинамического типа, допускающая два квадратичных интеграла движения // ДАН СССР. 1973. T. 209, № 5. C. 1046-1048.
- Деснянский В.Н., Новиков Е.А. Эволюция спектров турбулентности к режиму подобия // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10, № 2. С. 127-136.
- Siggia E.D. Origin of intermittency in fully developed turbulence // Phys. Rev. A. 1977. Vol. 15. P. 1730-1750. http://doi.org/10.1103/PhysRevA.15.1730
- Yamada M., Ohkitani K. Lyapunov spectrum of a chaotic model of three-dimensional turbulence // J. Phys. Soc. Jpn. 1987. Vol. 56. P. 4210-4213. http://doi.org/10.1143/JPSJ.56.4210
- L’vov V.S., Podivilov E., Pomlyalov A., Procaccia I., Vandembroucq D. Improved shell model of turbulence // Phys. Rev. E. 1998. Vol. 58. P. 1811-1822. http://doi.org/10.1103/PhysRevE.58.1811
- L’vov V.S., Podivilov E., Procaccia I. Hamiltonian structure of the Sabra shell model of turbulence: Exact calculation of an anomalous scaling exponent // EPL. 1999. Vol. 46. P. 609-612. http://doi.org/10.1209/epl/i1999-00307-8
- Ditlevsen P.D. Symmetries, invariants, and cascades in a shell model of turbulence // Phys. Rev. E. 2000. Vol. 62. P. 484-489. http://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.484
- Benzi R., Biferale L., Tripiccione R., Trovatore E. (1+1)-dimensional turbulence // Phys. Fluids. 1997. Vol. 9. P. 2355-2363. http://doi.org/10.1063/1.869356
- Frisch U. Turbulence. Cambridge University Press, 1995. 296 p.
- Bohr T., Jensen M.H., Vulpiani A., Paladin G. Dynamical systems approach to turbulence. Cambridge University Press, 1998. 350 p.
- Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 771 p.
- Biferale L. Shell models of energy cascade in turbulence // Ann. Rev. Fluid Mech. 2003. Vol. 35. P. 441-468. http://doi.org/10.1146/annurev.fluid.35.101101.161122
- Plunian F., Stepanov R., Frick P. Shell models of magnetohydrodynamic turbulence // Phys. Rep. 2013. Vol. 523. P. 1-60. http://doi.org/10.1016/j.physrep.2012.09.001
- Frick P., Reshetnyak M., Sokoloff D. Combined grid-shell approach for convection in a rotating spherical layer // EPL. 2002. Vol. 59. P. 212-217. http://doi.org/10.1209/epl/i2002-00228-6
- Фрик П.Г., Решетняк М.Ю., Соколов Д.Д. Каскадные модели турбулентности для жидкого ядра Земли // ДАН. 2002. Т. 387, № 2. С. 253-257.
- Решетняк М.Ю., Штеффен Б. Каскадные модели в быстровращающихся динамо-системах // Выч. мет. программирование. 2006. T. 7, № 1. C. 85-92.
- Frick P., Stepanov R., Sokoloff D. Large- and small-scale interactions and quenching in an α2-dynamo // Phys. Rev. E. 2006. Vol. 74. 066310. http://doi.org/10.1103/PhysRevE.74.066310
- Степанов Р.А., Фрик П.Г., Соколов Д.Д. Сопряжение уравнений динамо средних полей и каскадной модели турбулентности на примере задачи галактического динамо // Вычисл. мех. сплош. сред. 2008. T. 1, № 4. C. 97-108. http://doi.org/10.7242/1999-6691/2008.1.4.43
- L’vov V.S., Pomyalov A., Tiberkevich V. Multizone shell model for turbulent wall bounded flows // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 68. 046308. http://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.046308
- Plunian F., Teimurazov A., Stepanov R., Verma M.K. Inverse cascade of energy in helical turbulence // J. Fluid Mech. 2020. Vol. 895. A13. http://doi.org/10.1017/jfm.2020.307
- Sadhukhan S., Samuel R., Plunian F., Stepanov R., Samtaney R., Verma M.K. Enstrophy transfers in helical turbulence // Phys. Rev. Fluids. 2019. Vol. 4. 084607. http://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.084607
- Stepanov R., Golbraikh E., Frick P., Shestakov A. Helical bottleneck effect in 3D homogeneous isotropic turbulence // Fluid Dyn. Res. 2018. Vol. 50. 011412. http://doi.org/10.1088/1873-7005/aa782e
- Stepanov R., Golbraikh E., Frick P., Shestakov A. Hindered energy cascade in highly helical isotropic turbulence // Phys. Rev. Lett. 2015. Vol. 115. 234501. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.234501
- Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
- Шестаков А.В., Степанов Р.А., Фрик П.Г. Влияние вращения на каскадные процессы в спиральной турбулентности // Вычисл. мех. сплош. сред. 2012. T. 5, № 2. C. 193-198. http://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.2.23
- Шестаков А.В., Степанов Р.А., Фрик П.Г. О механизмах каскадного переноса энергии в конвективной турбулентности // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. T. 9, № 2. C. 125-134. http://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.2.11
- Гледзер E.Б. Эффекты вращения и спиральности в каскадных моделях турбулентности // ДАН. 2008. Т. 416, № 4. С. 488-492. (English version https://doi.org/10.1134/S1028335808040101)
- Plunian F., Stepanov R. Cascades and dissipation ratio in rotating magnetohydrodynamic turbulence at low magnetic Prandtl number // Phys. Rev. E. 2010. Vol. 82. 046311. http://doi.org/10.1103/PhysRevE.82.046311
- Nikitin N.V., Nicoud F., Wasistho B., Squires K.D., Spalart P.R. An approach to wall modeling in large-eddy simulations // Phys. Fluids. 2000. Vol. 12. P. 1629-1632. http://doi.org/10.1063/1.870414
- Yang X.I.A., Park G.I., Moin P. Log-layer mismatch and modeling of the fluctuating wall stress in wall-modeled large-eddy simulations // Phys. Rev. Fluids. 2017. Vol. 2. 104601. http://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.104601.