Когерентная турбулентная структура

Турбулентные потоки представляют собой сложные многомасштабные и хаотические движения, которые необходимо классифицировать на более элементарные компоненты, относящиеся к когерентным турбулентным структурам . Такая структура должна иметь временную согласованность, то есть она должна сохраняться в своей форме в течение достаточно длительных периодов, чтобы применяться методы усредненной по времени статистики. Когерентные структуры обычно изучаются на очень больших масштабах, но могут быть разбиты на более элементарные структуры с собственными когерентными свойствами, такие примеры включают вихри для шпильки . Шпильки и когерентные структуры были изучены и замечены в данных с 1930 -х годов, и с тех пор они цитируются в тысячах научных работ и обзоров.

Описание элементарной подструктуры, называемой вихрями шпильки. Основано на классическом рисунке Теодорсена.

Эксперименты по визуализации потока , использование дыма и красителя в качестве трассировщиков, исторически использовались для имитации когерентных структур и проверки теорий, но компьютерные модели теперь являются доминирующими инструментами, широко используемыми в поле для проверки и понимания формирования, эволюции и других свойств таких структуры. Кинематические свойства этих движений включают размер, масштаб, форму, завихренность , энергию и динамические свойства, регулируют, как растут, развиваются, развиваются и распада когерентные структуры. Большинство когерентных структур изучаются только в ограниченных формах простой турбулентности стенки, которые приближаются к когерентности, чтобы быть устойчивой, полностью развитой, несжимаемой и с градиентом нулевого давления в пограничном слое . Хотя такие приближения отклоняются от реальности, они содержат достаточные параметры, необходимые для понимания турбулентных когерентных структур в очень концептуальной степени.

История и открытие

Наличие организованных движений и структур в турбулентных потоках сдвига было очевидно в течение длительного времени и дополнительно подразумевалось путем гипотезы смешивания длины еще до того, как концепция была явно указана в литературе. Были также ранние данные корреляции, обнаруженные путем измерения самолетов и турбулентных пробуждений, особенно Корсина и Рошко. Техника пузырьков водорода Хамы, которая использовала визуализацию потока для наблюдения за структурами, получила широкое внимание, и многие исследователи последовали за Клайном. Визуализация потока - это лабораторный экспериментальный метод, который используется для визуализации и понимания структур турбулентных потоков сдвига . С гораздо лучшим пониманием когерентных структур теперь можно обнаружить и распознавать многие когерентные структуры в предыдущих изображениях визуализации потока, собранных из различных турбулентных потоков, взятых десятилетия назад. Компьютерное моделирование в настоящее время является доминирующим инструментом для понимания и визуализации когерентных структур потока. Способность вычислять необходимые зависящие от времени уравнения Навье-Стокса производит графические презентации на гораздо более сложном уровне и может дополнительно визуализировать в разных плоскостях и разрешениях, превышающих ожидаемые размеры и скорости, ранее полученные в лабораторных экспериментах. Тем не менее, эксперименты по контролируемому визуализации потока все еще необходимы для направления, развития и проверки численных моделирования, которые теперь доминируют в этой области.

Определение

Турбулентный поток - это режим потока в динамике жидкости, где скорость жидкости значительно и нерегулярно варьируется как в положении, так и во времени. Кроме того, когерентная структура определяется как турбулентный поток, экспрессия завивочных вещей, которая обычно является стохастической, содержит упорядоченные компоненты, которые можно описать как мгновенно когерентное по сравнению с пространственной степенью структуры потока. Другими словами, в основе трехмерных выражений хаотической завихренности, типичных для турбулентных потоков, существует организованный компонент той завихренности, который коррелирован фазой во всем пространстве структуры. Мгновенно пространственная и фазовая коррелированная завихренность, обнаруженная в выражениях когерентной структуры, может быть определена как когерентная завихренность, что делает когерентную завихренность основной характерной идентификатором для когерентных структур. Другой характеристикой, присущей турбулентным потокам, является их прерывистость , но прерывистость является очень плохим идентификатором границ когерентной структуры, следовательно, общепринято, что лучший способ охарактеризовать границу структуры путем определения и определения границы Когерентная завихренность.

Определяя и идентифицируя когерентную структуру таким образом, турбулентные потоки могут быть разложены на когерентные структуры и бессвязные структуры в зависимости от их когерентности, в частности их корреляции с их вращениями. Следовательно, аналогичные организованные события в среднем по ансамбле организованных событий могут быть определены как когерентная структура, а любые события, не идентифицированные как аналогичные или фазовые и пространственные, в среднем по ансамблем, является бессвязной турбулентной структурой.

Другие попытки определения когерентной структуры могут быть предприняты путем изучения корреляции между их имментами или давлением и их турбулентными потоками. Тем не менее, это часто приводит к ложным показаниям турбулентности, поскольку колебания давления и скорости над жидкостью могут быть хорошо коррелированы в отсутствие любой турбулентности или завихренности. Некоторые когерентные структуры, такие как вихревые кольца и т. Д., Могут быть крупномасштабными движениями, сопоставимыми с степени сдвигового потока. Существуют также когерентные движения в гораздо меньших масштабах, таких как вихри для шпильки и типичные вихри, которые обычно называют когерентными субструктурами, как в когерентных структурах, которые могут быть разбиты на более мелкие элементарные субструктуры.

Характеристики

Хотя когерентная структура по определению характеризуется высокими уровнями когерентной завихренности, стресса Рейнольдса , производства, тепла и массового транспорта, она не обязательно требует высокого уровня кинетической энергии. Фактически, одной из основных ролей когерентных конструкций является крупномасштабный транспорт массы, тепла и импульса, не требуя, чтобы широкое количество энергии обычно обычно необходимы. Следовательно, это подразумевает, что когерентные структуры не являются основной продукцией и причиной стресса Рейнольдса, и бессвязная турбулентность может быть одинаковой значительной.

Когерентные структуры не могут наложить , то есть они не могут перекрываться, и каждая когерентная структура имеет свою независимую домен и границу. Поскольку вихри сосуществуют как пространственные суперпозиции, когерентная структура не является вихревой . Например, вихри рассекают энергию, получая энергию от среднего потока в больших масштабах, и в конечном итоге рассеивая ее в самых маленьких масштабах. Не существует такого аналогичного обмена энергией между когерентными структурами, и любое взаимодействие, такое как разрыв между когерентными структурами, просто приводит к новой структуре. Однако две когерентные структуры могут взаимодействовать и влиять друг на друга. Масса структуры меняется со временем, причем типичным случаем является то, что структуры увеличиваются в объеме посредством диффузии завихренности.

Одним из наиболее фундаментальных количеств когерентных структур характеризуется когерентная завихренность, $\Omega _{c}$Полем Возможно, следующими наиболее важными показателями когерентных структур являются когерентные против некословных стрессов Рейнольда, $-u_{c}\nu _{c}$ и $-\langle u_{r}\nu _{r}\rangle$Полем Они представляют собой транспорт импульса, и их относительная сила указывает на то, как много импульса транспортируется когерентными структурами по сравнению с некогерентными структурами. Следующие наиболее значимые меры включают контурированные изображения когерентной скорости деформации и производства сдвига. Полезное свойство таких контуров заключается в том, что они инвариантны при галилейских преобразованиях, поэтому контуры когерентной завихренности представляют собой превосходный идентификатор границ структуры. Контуры этих свойств не только находят, где именно количество когерентных структур имеет свои пики и седла, но и определяют, где находятся непоследовательные турбулентные структуры, когда они наложены на их направленные градиенты. Кроме того, пространственные контуры можно нарисовать, описывают форму, размер и прочность когерентных структур, изображающих не только механику, но и динамическую эволюцию когерентных структур. Например, для развития структуры и, следовательно, доминирующей, ее когерентная завихренность, когерентный стресс Рейнольдса, а также термины производства должны быть больше, чем усредненные временные значения структур потока.

Формация

Когерентные структуры образуются из -за какой -то нестабильности, например, нестабильности Кельвина - Хелмгольца . Определение нестабильности, и, следовательно, начальное образование когерентной структуры требует знания начальных условий структуры потока. Следовательно, документация начального условия имеет важное значение для захвата эволюции и взаимодействия когерентных структур, поскольку начальные условия довольно изменчивы. Выпуск начальных условий был распространен в ранних исследованиях из -за исследователей, упускающих из виду их значение. Начальные условия включают среднюю профиль скорости, толщину, форму, плотность вероятности скорости и импульса, спектр значений стресса Рейнольдса и т. Д. Эти измерения исходных условий потока могут быть организованы и сгруппированы в три широкие категории: ламинарные , сильно нарушенные, и полностью турбулентный.

Из трех категорий когерентные структуры обычно возникают из -за нестабильности в ламинарных или турбулентных состояниях. После первоначального запуска их рост определяется эволюционными изменениями из-за нелинейных взаимодействий с другими когерентными структурами или их распада на некословные турбулентные структуры. Наблюдаемые быстрые изменения приводят к убеждению, что должен быть регенеративный цикл, который происходит во время распада. Например, после распада структуры, результатом может быть то, что поток теперь турбулентный и становится восприимчивым к новой нестабильности, определяемой новым состоянием потока, что приводит к формированию новой когерентной структуры. Также возможно, что структуры не разрушаются и вместо этого искажаются, разделяя на субструктуры или взаимодействуя с другими когерентными структурами.

Категории когерентных структур

Лагранжианские когерентные структуры

Основная статья: Лагранжевая последовательная структура

Привлечение (красный) и отталкивание (синий) LCSS, извлеченные из эксперимента по двумерной турбулентности (изображение: Маникандан Матур)

Лагранжевые когерентные структуры (LCS) являются влиятельными материалами, которые создают четко узнаваемые закономерности в пассивных распределениях трассировщиков, проводимых неустойчивым потоком. LCSS может быть классифицирована как гиперболические (локально максимально привлечение или отталкивание материалов), эллиптические (границы материала вихря) и параболические (материальные реактивные ядра). Эти поверхности являются обобщениями классических инвариантных коллекторов, известных в теории динамических систем , для неустойчивых данных о конечном периоде. Эта лагранжевая перспектива когерентности связана с структурами, образованными элементами жидкости, в отличие от эйлерового понятия когерентности, которое учитывает особенности в поле мгновенной скорости жидкости. Были разработаны различные математические методы для идентификации LCS в наборах данных с двумя и трех-дименсонинами, и были применены к лабораторным экспериментам, численным моделированию и геофизическим наблюдениям.

Вихри для шпильки

Вихри для шпильки находятся на турбулентных выпуклостях турбулентной стены, Обертывание вокруг турбулентной стены в петли в форме шпильки, где происходит название. Считается, что вихри в форме шпильки являются одним из наиболее важных и элементарных устойчивых схем потока в турбулентных пограничных слоях. Шпильки являются, пожалуй, самыми простыми структурами, а модели, которые представляют крупномасштабные турбулентные пограничные слои, часто построены путем разбивания отдельных вихрей шпильки, которые могут объяснить большинство особенностей турбулентности стен. Хотя вихри для шпильки составляют основу простых концептуальных моделей потока вблизи стены, фактические турбулентные потоки могут содержать иерархию конкурирующих вихрей, каждый со своей степенью асимметрии и нарушений.

Вихри для шпильки напоминают вихревой подковы, который существует из -за возмущений небольшого движения вверх из -за различий в скоростях потока вверх в зависимости от расстояния от стены. Они образуют несколько пакетов вихрей шпильки, где пакеты шпильки разных размеров могут генерировать новые вихри для добавления в пакет. В частности, недалеко от поверхности, хвостовые концы вихрей шпильки могут постепенно сходиться, что приводит к спровоцированным извержениям, создавая новые вихри для шпильки. Следовательно, такие извержения являются регенеративным процессом, в котором они действуют для создания вихри вблизи поверхности и выбросить их на внешние области турбулентной стены. Основываясь на свойствах извержения, такие потоки могут быть выведены очень эффективными при теплообменке из -за смешивания. В частности, извержения несут горячие жидкости, в то время как более прохладные потоки опускаются вниз во время сходящегося хвостов вихрей шпильки перед извержением.

Считается, что производство и вклад в $-{\overline {u'v'}}$, стресс Рейнольдса, возникает во время сильных взаимодействий между внутренними и внешними стенами шпильки. Во время производства этого термина стресса Рейнольда вклад вносится в резких прерывистых сегментах, когда извержения выводят новые вихри наружу.

Образование вихрей шпильки наблюдалось в экспериментах и ​​численном моделировании отдельных шпильков, однако наблюдательные доказательства для них в природе все еще ограничены. Теодорсен создает эскизы, которые указывают на наличие вихрей шпильки в его экспериментах по визуализации потока. Эти меньшие элементарные структуры можно увидеть, накладывая основной вихрь в эскиз вправо (изображение эскиза в эксперимент с пародом Теодорсена, который раскрывает наличие структур). Эскиз был хорошо продвинут в то время, но с появлением компьютеров стало лучше. Робинсон в 1952 году изолировал два типа структур потока, которые он назвал «подковой», или аркой, вихрями и вихрем «квази-постоек» (классическая фигура, показанная справа).

Описывает две основные структуры потока, которые Робинсон обнаружил с помощью прямого численного моделирования

С момента использования массы компьютеров, прямое числовое моделирование или DNS широко использовались, создавая обширные наборы данных, описывающие сложную эволюцию потока. DNS указывает, что многие сложные 3-мерные вихри встроены в области высокого сдвига вблизи поверхности. Исследователи смотрят вокруг этой области высокого сдвига на показаниях отдельных вихревых структур на основе принятых определений, таких как когерентные вихри. Исторически, вихрь рассматривался как область в потоке, где группа вихревых линий объединяется, что указывает на наличие ядра вихря, с группами мгновенных круговых путей вокруг ядра. В 1991 году Робинсон определил вихревую структуру, как ядро, состоящее из конверсируемых областей низкого давления, где мгновенные линии оптима могут образовывать круги или спиральные формы относительно плоскости, нормальной к плоскости ядра вихря. Хотя невозможно отслеживать эволюцию шпильки в течение длительных периодов, можно идентифицировать и отслеживать их эволюцию в течение коротких периодов времени. Некоторые из ключевых примечательных особенностей вихрей шпильки - это то, как они взаимодействуют с фоновым сдвигом, другими вихрями и тем, как они взаимодействуют с потоком вблизи поверхности.