Abstract The turbulence dynamics of pulsatile pipe flow are investigated using direct numerical simulation (DNS) at a mean friction Reynolds number of 180. Results are presented for a range of forcing frequencies at a fixed amplitude, which, based on existing classifications, corresponds to the current-dominated regime. This work directs attention towards the phase-variations of single and two-point turbulence statistics, with a particular emphasis on the response of the Reynolds shear stress to systematic changes in the applied forcing frequency. The study has yielded two key outcomes. (i) A new frequency classification procedure for pulsatile turbulent flows (at low-to-moderate friction Reynolds numbers), informed by the Reynolds shear stress frequency co-spectra and the value of the applied forcing frequency. (ii) A detailed account of single- and two-point Reynolds shear stress statistics, in response to high, very-high and ultra-high forcing frequencies in order to study turbulence dynamics in the physical and Fourier domains. Furthermore, the oscillatory velocity field obtained from the DNS data is compared against the laminar Womersley solution in order to assess the interaction (or lack thereof) between the oscillatory velocity field and phase-averaged Reynolds shear stress fluctuations. For the higher frequencies considered in this work, single- and two-point Reynolds shear statistics all enter the so-called “frozen” regime — which occurs as the forcing time-scale becomes smaller than that of the highest-frequency, energy-containing motions in the Reynolds shear stress co-spectra.

中文翻译：

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脉动管道流中对湍流动力学的强迫频率效应

摘要 在平均摩擦雷诺数为 180 的情况下，使用直接数值模拟 (DNS) 研究脉动管道流的湍流动力学。结果显示了一系列固定振幅的强迫频率，基于现有分类，该结果对应于当前主导的政权。这项工作将注意力集中在单点和两点湍流统计的相位变化上，特别强调雷诺剪应力对应用强迫频率的系统变化的响应。该研究产生了两个关键结果。(i) 一种新的脉动湍流频率分类程序（在低到中等摩擦雷诺数下），由雷诺剪切应力频率谱和施加的强迫频率值提供信息。(ii) 单点和两点雷诺剪切应力统计的详细说明，以响应高、非常高和超高的强迫频率，以研究物理和傅立叶域中的湍流动力学。此外，将从 DNS 数据获得的振荡速度场与层流 Womersley 解进行比较，以评估振荡速度场与相位平均雷诺剪切应力波动之间的相互作用（或缺乏相互作用）。对于这项工作中考虑的更高频率，单点和两点雷诺剪切统计都进入所谓的“冻结”状态——当强迫时间尺度变得小于最高频率、含能量的时间尺度时，就会发生这种情况。雷诺剪切应力共谱中的运动。非常高和超高的强迫频率，以研究物理和傅立叶域中的湍流动力学。此外，将从 DNS 数据获得的振荡速度场与层流 Womersley 解进行比较，以评估振荡速度场与相位平均雷诺剪切应力波动之间的相互作用（或缺乏相互作用）。对于这项工作中考虑的更高频率，单点和两点雷诺剪切统计都进入所谓的“冻结”状态——当强迫时间尺度变得小于最高频率、含能量的时间尺度时，就会发生这种情况。雷诺剪切应力共谱中的运动。非常高和超高的强迫频率，以研究物理和傅立叶域中的湍流动力学。此外，将从 DNS 数据获得的振荡速度场与层流 Womersley 解进行比较，以评估振荡速度场与相位平均雷诺剪切应力波动之间的相互作用（或缺乏相互作用）。对于这项工作中考虑的更高频率，单点和两点雷诺剪切统计都进入所谓的“冻结”状态——当强迫时间尺度变得小于最高频率、含能量的时间尺度时，就会发生这种情况。雷诺剪切应力共谱中的运动。将从 DNS 数据获得的振荡速度场与层流 Womersley 解进行比较，以评估振荡速度场与相位平均雷诺剪切应力波动之间的相互作用（或缺乏相互作用）。对于这项工作中考虑的更高频率，单点和两点雷诺剪切统计都进入所谓的“冻结”状态——当强迫时间尺度变得小于最高频率、含能量的时间尺度时，就会发生这种情况。雷诺剪切应力共谱中的运动。将从 DNS 数据获得的振荡速度场与层流 Womersley 解进行比较，以评估振荡速度场与相位平均雷诺剪切应力波动之间的相互作用（或缺乏相互作用）。对于这项工作中考虑的更高频率，单点和两点雷诺剪切统计都进入所谓的“冻结”状态——当强迫时间尺度变得小于最高频率、含能量的时间尺度时，就会发生这种情况。雷诺剪切应力共谱中的运动。