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Michele Iovieno

Turbulent shearless mixing

Michele Iovieno
Dipartimento di Ingeneria Aeronautica e Spaziale, Politecnico di Torino

*Daniela Tordella
Dipartimento di Ingeneria Aeronautica e Spaziale, Politecnico di Torino

     Full text: PDF
     Last modified: November 19, 2007

Abstract
The interaction of two isotropic decaying turbulences scale generates the simplest kind of inhomogeneous turbulent field. This flow is higly intermittent and exibits intense burst of vorticity and strain, resulting in non gaussian statistics.
We present numerical experiments where two time decaying isotropic fields of kinetic energies $E_1$ and $E_2$, $E_1>E_2$, initially match over a narrow region. This transition layer initially represents no more than 1/40 of the domain. The following temporal evolution produces a shearless mixing, which grows in time while the two flows decay.
It is observed that the intermittency and the depth of penetration by the eddies from the high energy region increases when the energy and lengthscale gradients are concordant and decreases when they are opposite.
Moreover, when the integral scale is kept uniform across the mixing layer, this numerical experiment shows that the presence of a turbulent energy gradient is sufficient for the appearance of intermittency and that during the mixing process the pressure transport is not negligible with respect to the turbulent velocity transport.
Inermittency increases with the energy ratio $E_1/E_2$ reaches a maximum in the limit for $E_1/E_2 rightarrowinfty $, which corresponds to the diffusion of a turbulent flow into a region with still fluid.
These findings may open the way to the hypothesis that the presence of a gradient of turbulent energy is the minimal requirement for Gaussian departure in turbulence.

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L'interazione tra due campi di turbolenza omogenea ed isotropa in decadimento costituisce uno dei pi`u semplici flussi disomogenei. Questa configurazione `e molto intermittente e mostra intense concentrazione di vorticit`a e deformazione che producono statistiche non gaussiane.
Si presentano risultati di esperimenti numerici in cui due campi turbolenti omogenei ed isotropi con diverse energie $E_1$ ed $E_2$, $E_1>E_2$, sono affiancati l'uno all'altro ed inizialmente raccordati in un sottile strato, spesso non pi`u di 1/40 del dominio. L'evoluzione temporale genera uno strato di mescolameto in assenza di taglio, che si ispessisce nel tempo mentre i due flussi decadono.
Si osserva che l'intermittenza e la profondit`a di penetrazione delle strutture vorticose dalla regione con maggiore energia in quella con minore energia aumenta quando i gradienti di energia e scala integrale sono concordi, mentre si riduce quando sono opposti.
Inoltre, quando la scala integrale `e mantenuta uniforme attraverso il mescolamento, questo esperimento numerico mostra che la presenza di un gradiente di energia cinetica turbolenta sia sufficiente per l'insorgere dell'intermittenza e che nel mescolamento il trasporto di energia dovuto alla correlazione pressione-velocit`a non sia trascurabile rispetto al trasporto dovuto alle correlazioni triple delle velocit`a.
In particolare, l'intermittenza aumenta all'aumentare del rapporto di energia $E_1/E_2$ e raggiunge un massimo nel limite per $E_1/E_2 rightarrowinfty $, che corrisponde alla diffusione di un flusso turbolento in una regione di fluido fermo. Questi risultati aprono la strada all'ipotesi che la presenza di un gradiente di energia sia una condizione minima per l'allontanamento dalla gaussianit`a in un flusso turbolento.

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