Флуктуации спиральности и производство турбулентной энергии в вращающихся и невращающихся трубах

В работе с помощью явных численных расчетов второго порядка по конечным разностям исследовано изменение флуктуаций плотности спиральности при вращении турбулентного потока в трубе вокруг оси. В этом случае ось вращения параллельна приграничным вихревым структурам, которые играют фундаментальную роль в сопротивлении стены и генерации турбулентности. Плотность спиральности представляет собой след тензора γij' = ⟨vi' ωj'⟩, элементы которого составляют компоненты v' × ω'. При записи уравнений движения в ротационной форме член производства турбулентной энергии делится на две части: одну, связанную с конвекцией крупномасштабных структур, и другую, связанную с передачей энергии на малые масштабы. По данным прямых численных симуляций изменения профиля члена производства турбулентности с вращением объясняются функцией распределения (PDF) компонент v' × ω'. Также изучены связи между изменениями PDF v' × ω' и модификациями вихревых структур. Совместная PDF диссипации и плотности спиральности показывает, что в невращающейся трубе диссипация сильно коррелирует с областями очень низкой плотности спиральности. При вращении трубы плотность спиральности увеличивается, а диссипация уменьшается. Поскольку одним из результатов фонового вращения является уменьшение сопротивления потока, в работе выдвинута гипотеза, что выравнивание скорости и вихревости может быть общей особенностью потоков с уменьшенным сопротивлением.