Ñhaotic flow evolution arising in a body force field

封面

如何引用文章

全文:

详细

This article presents the results of an analytical and computer study of the chaotic evolution of a regular velocity field generated by a large-scale harmonic forcing. The authors obtained an analytical solution for the flow stream function and its derivative quantities (velocity, vorticity, kinetic energy, enstrophy and palinstrophy). Numerical modeling of the flow evolution was carried out using the OpenFOAM software package based on incompressible model, as well as two inhouse implementations of CABARET and McCormack methods employing nearly incompressible formulation. Calculations were carried out on a sequence of nested meshes with $64^2, 128^2, 256^2, 512^2, 1024^2$ cells for two characteristic (asymptotic) Reynolds numbers characterizing laminar and turbulent evolution of the flow, respectively. Simulations show that blow-up of the analytical solution takes place in both cases. The energy characteristics of the flow are discussed relying upon the energy curves as well as the dissipation rates. For the fine mesh, this quantity turns out to be several orders of magnitude less than its hydrodynamic (viscous) counterpart. Destruction of the regular flow structure is observed for any of the numerical methods, including at the late stages of laminar evolution, when numerically obtained distributions are close to analytics. It can be assumed that the prerequisite for the development of instability is the error accumulated during the calculation process. This error leads to unevenness in the distribution of vorticity and, as a consequence, to the variance vortex intensity and finally leads to chaotization of the flow. To study the processes of vorticity production, we used two integral vorticity-based quantities — integral enstrophy ($\zeta$) and palinstrophy ($P$). The formulation of the problem with periodic boundary conditions allows us to establish a simple connection between these quantities. In addition, $\zeta$ can act as a measure of the eddy resolution of the numerical method, and palinstrophy determines the degree of production of small-scale vorticity.

作者简介

Aleksey Doludenko

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Email: fisteh@mail.ru

Yury Kulikov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: fisteh@mail.ru

without scientific degree, no status

Andrey Savel'ev

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Email: fisteh@mail.ru

参考

  1. В. М. Головизнин, А. А. Самарский, “Разностная аппроксимация конвективного переноса с пространственным расщеплением временной производной”, Математическое моделирование, 10:1 (1998), 86–100 [V. M. Goloviznin, A. A. Samarskiy, “Difference approximation of convective transport with spatial splitting of the time derivative”, Matematicheskoye modelirovaniye, 10:1 (1998), 86–100 (in Russian)].
  2. В. М. Головизнин, А. А. Самарский, “Некоторые свойства разностной схемы «КАБАРЕ»”, Математическое моделирование, 10:1 (1998), 101–166 [V. M. Goloviznin, A. A. Samarskiy, “Some properties of the difference scheme ‘CABARET’”, Matematicheskoye modelirovaniye, 10:1 (1998), 101–166 (in Russian)].
  3. А. Н. Колмогоров, “Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости”, ДАН СССР, 30 (1941), 209–303 [A. N. Kolmogorov, “Local structure of turbulence in an incompressible viscous fluid”, DAN SSSR, 30 (1941), 209–303 (in Russian)].
  4. А. Н. Колмогоров, “Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности”, ДАН СССР, 30:1 (1941), 19–21 [A. N. Kolmogorov, “Energy dissipation under locally isotropic turbulence”, DAN SSSR, 30:1 (1941), 19–21 (in Russian)].
  5. D. Anderson, J. C. Tannehill, R. H. Pletcher, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Third ed., Taylor and Francis, 2016.
  6. S. A. Balbus, J. F. Hawley, “Instability, turbulence, and enhanced transport in accretion disks”, Reviews of Modern Physics, 70:1 (1998), 1–53.
  7. C. Basdevant, B. Legras, R. Sadourny, M. Béland, “A study of barotropic model flows: intermittency, waves and predictability”, Journal of the Atmospheric Sciences, 38:11 (1981), 2305–2326.
  8. G. K. Batchelor, “Computation of the energy spectrum in homogeneous two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 12:12 (1969), 233–239.
  9. G. Boffetta, “Energy and enstrophy fluxes in the double cascade of two-dimensional turbulence”, Journal of Fluid Mechanics, 589 (2007), 253–260.
  10. G. Boffetta, S. Musacchio, “Evidence for the double cascade scenario in two-dimensional turbulence”, Physical Review E, 82:1 (2010), 016307.
  11. F. Bouchet, A. Venaille, “Statistical mechanics of two-dimensional and geophysical flows”, Physics Reports, 515:5 (2012), 227–295.
  12. A. Brandenburg, A. Nordlund, “Astrophysical turbulence modeling”, Reports on Progress in Physics, 74:4 (2011), 046901.
  13. J. G. Charney, “Geostrophic turbulence”, Journal of the Atmospheric Sciences, 28:6 (1971), 1087–1095.
  14. M. Chertkov, C. Connaughton, I. Kolokolov, V. Lebedev, “Dynamics of energy condensation in two-dimensional turbulence”, Physical Review Letters, 99:8 (2007), 084501.
  15. Y. Couder, J. Chomaz, M. Rabaud, “On the hydrodynamics of soap films”, Physica D: Nonlinear Phenomena, 37:1–3 (1989), 384–405.
  16. M. Farge, K. Schneider, N. Kevlahan, “Non-Gaussianity and coherent vortex simulation for two-dimensional turbulence using an adaptive orthogonal wavelet basis”, Physics of Fluids, 11:8 (1999), 2187–2201.
  17. N. Francois, H. Xia, H. Punzmann, M. Shats, “Inverse energy cascade and emergence of large coherent vortices in turbulence driven by Faraday waves”, Physical Review Letters, 110:19 (2013), 194501.
  18. U. Frisch, P.-L. Sulem, “Numerical simulation of the inverse cascade in two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 27:8 (1984), 1921–1923.
  19. K. S. Gage, “Evidence for 𝑘−5/3k−5/3 law inertial range in mesoscale two-dimensional turbulence”, Journal of the Atmospheric Sciences, 36:10 (1979), 1950–1954.
  20. K. S. Gage, G. D. Nastrom, “Theoretical interpretation of atmospheric wavenumber spectra of wind and temperature observed by commercial aircraft during GASP”, Journal of the Atmospheric Sciences, 43:7 (1986), 729–740.
  21. B. Galperin, H. Nakano, H.-P. Huang, S. Sukoriansky, “The ubiquitous zonal jets in the atmospheres of giant planets and Earth’s oceans”, Geophysical Research Letters, 31:13 (2004), 13303.
  22. M. Gharib, P. Derango, “A liquid film (soap film) tunnel to study two-dimensional laminar and turbulent shear flows”, Physica D: Nonlinear Phenomena, 37:1–3 (1989), 406–416.
  23. J. Guerrero, “A crash introduction to the finite volume method and discretization schemes in OpenFOAM”, OpenFOAM Beginner Training Session, 15th OpenFOAM Workshop, Arlington, VA, USA, June 22–26, 2020.
  24. M. Hossain, W. H. Matthaeus, D. Montgomery, “Long-time states of inverse cascades in the presence of a maximum length scale”, Journal of Plasma Physics, 30:3 (1983), 479–493.
  25. R. H. Kraichnan, “Inertial ranges in two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 10:7 (1967), 1417–1423.
  26. C. E. Leith, “Diffusion approximation for two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 11:3 (1968), 671–672.
  27. Yu. M. Kulikov, E. E. Son, “CABARET scheme implementation for free shear layer modeling”, Computer Research and Modeling, 9:6 (2017), 881–903.
  28. Yu. M. Kulikov, E. E. Son, “The CABARET method for a weakly compressible fluid flows in one- and two-dimensional implementations”, Journal of Physics: Conference Series, 774 (2016), 012094.
  29. D. K. Lilly, “Numerical simulation of two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 12:12 (1969), II–240–II–249.
  30. D. K. Lilly, “Numerical simulation studies of two-dimensional turbulence. I. Models of statistically steady turbulence”, Geophysical Fluid Dynamics, 3:4 (1972), 289–319.
  31. D. K. Lilly, “Two-dimensional turbulence generated by energy sources at two scales”, Journal of the Atmospheric Sciences, 46:13 (1989), 2026–2030.
  32. R. W. MacCormack, “The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering”, Frontiers of Computational Fluid Dynamics, 2001, 27–43.
  33. J. M. McDonough, Introductory Lectures on Turbulence, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2014.
  34. F. Moukalled, L. Mangani, M. Darwish, The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab, Springer International, 2016.
  35. B. Mukhopadhyay, N. Afshordi, R. Narayan, “Bypass to turbulence in hydrodynamic accretion disks: an eigenvalue approach”, The Astrophysical Journal, 629:1 (2005), 383–396.
  36. H. Nilsson, “A look inside icoFoam (and pisoFoam)”, MSc/PhD Course in CFD with OpenSource Software, Chalmers University of Technology, 2013.
  37. A. V. Orlov, M. Yu. Brazhnikova, A. A. Levchenko, “Large-scale coherent vortex formation in two-dimensional turbulence”, JETP Letters, 107:3 (2018), 157–162.
  38. J. Paret, M.-C. Jullien, P. Tabeling, “Vorticity statistics in the two-dimensional enstrophy cascade”, Physical Review Letters, 83:17 (1999), 3418–3421.
  39. J. Paret, D. Marteau, O. Paireau, P. Tabeling, “Are flows electromagnetically forced in thin stratified layers two dimensional?”, Physics of Fluids, 9:10 (1997), 3102–3104.
  40. J. Paret, P. Tabeling, “Experimental observation of the two-dimensional inverse energy cascade”, Physical Review Letters, 79:21 (1997), 4162–4165.
  41. J. Paret, P. Tabeling, “Intermittency in the two-dimensional inverse cascade of energy: experimental observations”, Physics of Fluids, 10:12 (1998), 3126–3136.
  42. P. Perlekar, R. Pandit, “Statistically steady turbulence in thin films: direct numerical simulations with Ekman friction”, New Journal of Physics, 11:7 (2009), 073003.
  43. P. L. Read, “Transition to geostrophic turbulence in the laboratory, and as a paradigm in atmospheres and oceans”, Surveys in Geophysics, 22:3 (2001), 265–317.
  44. P. B. Rhines, “Geostrophic turbulence”, Annual Review of Fluid Mechanics, 11:1 (1979), 401–441.
  45. L. F. Richardson, P. Lynch, Weather Prediction by Numerical Process, Cambridge University Press, 2007.
  46. M. Rivera, P. Vorobieff, R. E. Ecke, “Turbulence in flowing soap films: velocity, vorticity, and thickness fields”, Physical Review Letters, 81:7 (1998), 1417–1420.
  47. M. Rivera, X.-L. Wu, “External dissipation in driven two-dimensional turbulence”, Physical Review Letters, 85:5 (2000), 976–979.
  48. M. Rivera, X.-L. Wu, “Homogeneity and the inertial range in driven two-dimensional turbulence”, Physics of Fluids, 14:9 (2002), 3098–3108.
  49. M. Rivera, X.-L. Wu, C. Yeung, “Universal distribution of centers and saddles in two-dimensional turbulence”, Physical Review Letters, 87:4 (2001), 044501.
  50. M. K. Rivera, W. B. Daniel, S. Y. Chen, R. E. Ecke, “Energy and enstrophy transfer in decaying two-dimensional turbulence”, Physical Review Letters, 90:10 (2003), 104502.
  51. M. A. Rutgers, “Forced 2D turbulence: experimental evidence of simultaneous inverse energy and forward enstrophy cascades”, Physical Review Letters, 81:11 (1998), 2244–2247.
  52. R. B. Scott, B. K. Arbic, “Spectral energy fluxes in geostrophic turbulence: implications for ocean energetics”, Journal of Physical Oceanography, 37:3 (2007), 673–688.
  53. R. K. Scott, L. M. Polvani, “Forced-dissipative shallow-water turbulence on the sphere and the atmospheric circulation of the giant planets”, Journal of the Atmospheric Sciences, 64:9 (2007), 3158–3176.
  54. E. D. Siggia, H. Aref, “Point-vortex simulation of the inverse energy cascade in two-dimensional turbulence”, The Physics of Fluids, 24:1 (1981), 171–173.
  55. L. M. Smith, V. Yakhot, “Bose condensation and small-scale structure generation in a random force driven 2D turbulence”, Physical Review Letters, 71:3 (1993), 352–355.
  56. L. M. Smith, V. Yakhot, “Finite-size effects in forced two-dimensional turbulence”, Journal of Fluid Mechanics, 274 (1994), 115–138.
  57. J. Sommeria, “Experimental study of the two-dimensional inverse energy cascade in a square box”, Journal of Fluid Mechanics, 170 (1986), 139–168.
  58. C. V. Tran, J. C. Bowman, “Robustness of the inverse cascade in two-dimensional turbulence”, Physical Review E, 69:3 (2004), 168–183.
  59. R. Tulloch, K. S. Smith, “A theory for the atmospheric energy spectrum: depth-limited temperature anomalies at the tropopause”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 103:40 (2006), 14690–14694.
  60. H. Xia, M. Shats, G. Falkovich, “Spectrally condensed turbulence in thin layers”, Physics of Fluids, 21:12 (2009), 125101.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».