Zum Scherzahl-Effekt in der geschichteten Scherströmung

Der Einfluss der Scherzahl auf die Turbulenzentwicklung in einem stabil geschichteten Fluid wird mit direkten numerischen Simulationen auf Gittern mit bis zu 512 × 256 × 256 Punkten untersucht. Die Scherzahl SK/ε ist das Verhältnis einer Turbulenzzeitskala K/ε zu der Scherzeitskala 1/S. Die Simulationen werden bei zwei Anfangswerten der Reynoldszahl Re Λ= 44,72 und Re Λ= 89,44 durchgeführt. Wenn die Scherzahl von kleinen auf mittlere Werte erhöht wird, nimmt die dimensionslose Wachstumsrate γ= (1/SK)dK/dt der turbulenten kinetischen Energie K zu, da der Scherkraftantrieb und die damit verbundene Turbulenzerzeugung größer sind. Ein weiterer Anstieg der Scherzahl von mäßigen auf große Werte führt jedoch zu einer Verringerung der Wachstumsrate γ, und die turbulente kinetische Energie K nimmt für ausreichend große Werte der Scherzahl langfristig ab. Die Hemmung des Turbulenzwachstums bei großen Scherzahlen tritt für beide Anfangswerte der Reynoldszahl auf und kann mit der Vorherrschaft linearer Effekte gegenüber nichtlinearen Effekten erklärt werden, wenn die Scherzahl ausreichend hoch ist. Es wird festgestellt, dass bei dem höheren Anfangswert der Reynoldszahl die Verringerung der Wachstumsrate bei einem höheren Wert der Scherzahl auftritt. Es wird festgestellt, dass die Scherzahl die Dynamik des Spektralraums beeinflusst. Die turbulenten Transportkoeffizienten nehmen mit steigender Scherzahl ab.

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