Dissipation rate of turbulent kinetic energy in stably stratified sheared flows

Abstract

Abstract. Over the years, the problem of dissipation rate of turbulent kinetic energy (TKE) in stable stratification remained unclear because of the practical impossibility to directly measure the process of dissipation that takes place at the smallest scales of turbulent motion. Poor representation of dissipation causes intolerable uncertainties in turbulence-closure theory and thus in modelling stably stratified turbulent flows. We obtain a theoretical solution to this problem for the whole range of stratifications from neutral to limiting stable; and validate it via (i) direct numerical simulation (DNS) immediately detecting the dissipation rate and (ii) indirect estimates of dissipation rate retrieved via the TKE budget equation from atmospheric measurements of other components of the TKE budget. The proposed formulation of dissipation rate will be of use in any turbulence-closure models employing the TKE budget equation and in problems requiring precise knowledge of the high-frequency part of turbulence spectra in atmospheric chemistry, aerosol science, and microphysics of clouds.

The layered structure of stably stratified turbulent shear flows

“…Отложим функции H z и H x в зависимости от смещений, нормированных на масштаб Обухова L. Если этот масштаб полностью характеризует пространственную структуру поля температуры, то кривые при разных зна-1 Здесь z понимается как расстояние до стенки в АПС, а в общем случае -как масштаб длины, учитывающий отличие конкретной области (в течении Куэтта -h < z < h) от полупространства (z > 0)см. [36,37]. чениях h/L должны совпасть.…”

On the modelling of the dissipation rate of turbulent kinetic energy

“…Таким образом, можно ожидать, что при нейтральной и слабо устойчивой стратификации стандартное уравнение для скорости диссипации (2) и уравнение (4), полученное из релаксационного уравнения (3), будут иметь близкие стационарные решения, если равновесная диссипация e 0 определяется выражением вида (7), a набор констант C C p p e e ≈ (p = 1, 2, 3) и s e удовлетворяет соотношениям (9), (11). Однако в случае нестационарных режимов динамика рассматриваемых систем может оказаться различной вследствие непредставимости остаточных членов в уравнении (8) в виде оператора диффузии.…”

“…Наилучшее совпадение равновесного решения (7) с результатами прямого численного моделирования [11,12]…”

Direct Numerical Simulation of Stratified Turbulent Flows and Passive Tracer Transport on HPC Systems: Comparison of CPU Architectures

“…The computational benchmark considered in this study is based on stably stratified turbulent plane Couette flow, which is extensively used in studies of turbulence dynamics [7,17,29] and verification of turbulence closures developed for large-scale models of atmosphere and ocean [16,30]. The Couette flow is a shear flow of viscous fluid between two plane parallel walls moving relative to each other in the absence of external pressure gradient.…”