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Self-attenuation of extreme events in Navier-Stokes turbulence
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2020-09-17 , DOI: arxiv-2009.08370 Dhawal Buaria and Alain Pumir and Eberhard Bodenschatz
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2020-09-17 , DOI: arxiv-2009.08370 Dhawal Buaria and Alain Pumir and Eberhard Bodenschatz
Turbulent fluid flows are ubiquitous in nature and technology, and are
mathematically described by the incompressible Navier-Stokes equations (INSE).
A hallmark of turbulence is spontaneous generation of intense whirls, resulting
from amplification of the fluid rotation-rate (vorticity) by its
deformation-rate (strain). This interaction, encoded in the non-linearity of
INSE, is non-local, i.e., depends on the entire state of the flow, constituting
a serious hindrance in turbulence theory and in establishing regularity of
INSE. Here, we unveil a novel aspect of this interaction, by separating strain
into local and non-local contributions utilizing the Biot-Savart integral of
vorticity in a sphere of radius R. Analyzing highly-resolved numerical
turbulent solutions to INSE, we find that when vorticity becomes very large,
the local strain over small R surprisingly counteracts further amplification.
This uncovered self-attenuation mechanism is further shown to be connected to
local Beltramization of the flow, and could provide a direction in establishing
the regularity of INSE.
中文翻译:
纳维-斯托克斯湍流中极端事件的自衰减
湍流在自然界和技术中无处不在,并且可以通过不可压缩的 Navier-Stokes 方程 (INSE) 进行数学描述。湍流的一个标志是自发产生强烈的漩涡,这是由于流体旋转速度(涡度)被其变形速度(应变)放大所致。这种以 INSE 非线性编码的相互作用是非局部的,即取决于流动的整个状态,构成了湍流理论和建立 INSE 规律性的严重障碍。在这里,我们揭示了这种相互作用的一个新方面,通过利用半径为 R 的球体中的 Biot-Savart 涡度积分将应变分离为局部和非局部贡献。 分析 INSE 的高分辨率数值湍流解,我们发现当涡度变得非常大,小 R 上的局部应变令人惊讶地抵消了进一步的放大。这种未被发现的自衰减机制进一步显示出与流动的局部 Beltramization 相关,并且可以为建立 INSE 的规律性提供一个方向。
更新日期:2020-11-18
中文翻译:
纳维-斯托克斯湍流中极端事件的自衰减
湍流在自然界和技术中无处不在,并且可以通过不可压缩的 Navier-Stokes 方程 (INSE) 进行数学描述。湍流的一个标志是自发产生强烈的漩涡,这是由于流体旋转速度(涡度)被其变形速度(应变)放大所致。这种以 INSE 非线性编码的相互作用是非局部的,即取决于流动的整个状态,构成了湍流理论和建立 INSE 规律性的严重障碍。在这里,我们揭示了这种相互作用的一个新方面,通过利用半径为 R 的球体中的 Biot-Savart 涡度积分将应变分离为局部和非局部贡献。 分析 INSE 的高分辨率数值湍流解,我们发现当涡度变得非常大,小 R 上的局部应变令人惊讶地抵消了进一步的放大。这种未被发现的自衰减机制进一步显示出与流动的局部 Beltramization 相关,并且可以为建立 INSE 的规律性提供一个方向。