Energy Transfer from Large to Small Scales in Turbulence by Multiscale Nonlinear Strain and Vorticity Interactions

涡度 湍流 消散 物理 机械 动能 湍流动能 旋涡伸展 应变率 非线性系统 涡流 现象学模型 统计物理学 经典力学 比例(比率) 热力学 凝聚态物理 量子力学
作者
Perry L. Johnson
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:124 (10) 被引量:96
标识
DOI:10.1103/physrevlett.124.104501
摘要

An intrinsic feature of turbulent flows is an enhanced rate of mixing and kinetic energy dissipation due to the rapid generation of small-scale motions from large-scale excitation. The transfer of kinetic energy from large to small scales is commonly attributed to the stretching of vorticity by the strain-rate, but strain self-amplification also plays a role. Previous treatments of this connection are phenomenological or inexact, or cannot distinguish the contribution of vorticity stretching from that of strain self-amplification. In this paper, an exact relationship is derived which quantitatively establishes how intuitive multi-scale mechanisms such as vorticity stretching and strain self-amplification together actuate the inter-scale transfer of energy in turbulence. Numerical evidence validates this result and uses it to demonstrate that the contribution of strain self-amplification to energy transfer is higher than that of vorticity stretching, but not overwhelmingly so.
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