In this paper, the anisotropic nature of the magnetic turbulence associated with magnetic dipolarizations in the Earth's plasma sheet is examined. Specifically, we determine the power spectral indices for the perpendicular and parallel components of the fluctuating magnetic field with respect to the background magnetic field, and compare them in order to identify possible anisotropic features. For this study, we identify a total of 47 dipolarization events in February 2008 using the magnetic field data observed by the THEMIS A, D and E satellites when they are situated near the neutral sheet in the near-Earth tail. For the identified events, we estimate the spectral indices for the frequency range from 1.3 mHz to 42 mHz. The results show that the degree of anisotropy, as defined by the ratio of the spectral index of the perpendicular components to that of the parallel component, can range from ~0.2 to ~2.6, and there are more events associated with the ratio greater than unity (i.e., the perpendicular index being greater than the parallel index) than those which are anisotropic in the opposite sense. This implies that the dipolarization-associated turbulence of the magnetic field is often anisotropic, to some non-negligible degree. We then discuss how this result differs from what the theory of homogeneous, anisotropic, magnetohydrodynamic turbulence would predict.
Time delay effects on near-wall turbulent structures are investigated by performing a large-eddy simulation of a transient turbulent flow in a pipe. To elucidate the time delay effects on the near-wall turbulence, we selected the dimensionless acceleration parameter which was used in the previous study. Various turbulent statistics revealed the distinctive features of the delay. It was shown that the dynamic Smagorinsky model is valid to capture the alterations of the turbulence physics well. A dimensionless time for the responses of the flow quantities was introduced to give the detailed information on the delay of the nearwall turbulence. The conditionally-averaged flow fields associated with Reynolds shear stress producing events show that sweep and ejections are closely related to the delays of the turbulence production and the turbulence propagation toward the pipe center. The present study suggested that the enhanced anisotropy of the turbulence in the initial and transient stages would be a challenging problem to standard turbulence models.
When turbulent motions perturb magnetic field lines and produce magnetic fluctuations, the perturbations leave imprints of turbulence statistics on magnetic field. Observation of synchrotron radiation is one of the easiest ways to study turbulent magnetic field. Therefore, we study statistical properties of synchrotron polarization emitted from media with magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, using both synthetic and MHD turbulence simulation data. First, we obtain the spatial spectrum and its derivative with respect to wavelength of synchrotron polarization arising from both synchrotron radiation and Faraday rotation. The study of spatial spectrum shows how the spectrum is affected by Faraday rotation and how we can recover the statistics of underlying turbulent magnetic field as well as turbulent density of electrons from interferometric observations that incorporate the effects of noise and finite telescopic beam size. Second, we study quadrupole ratio to quantitatively describe the degree of anisotropy introduced by magnetic field in the presence of MHD turbulence. We consider the case that the synchrotron emission and Faraday rotation are spatially separated, as well as the situation that the sources of the synchrotron radiation and thermal electrons causing Faraday rotation exist in the same region. In this study, we demonstrate that the spectrum and quadrupole ratio of synchrotron polarization can be very informative tools to get detailed information about the statistical properties of MHD turbulence from radio observations of diffuse synchrotron polarization.
A diffuser, an important equipment to change kinetic energy into pressure energy, has been studied for a long time. Though experimental and theoretical researches have been done, the understanding of energy transfer and detailed mechanism of energy dissipation is unclear. As far as numerical prediction of diffuser flows are concerned, various numerical studies have also been done. On the contrary, many turbulence models have constraint to the applicability of diffuser-like complex flows, because of anisotropy of turbulence near the wall and of local nonequilibrium induced by an adverse pressure gradient. The existing $k-{\epsilon}$ turbulence models have some problems in the case of being applied to complex turbulent flows. The purpose of this paper is to test the applicability of the nonlinear $k-{\epsilon}$ model concerning diffuser-like flows with expansion and streamline curvature. The results show that the nonlinear $k-{\epsilon}$ turbulence model predicted well the coefficient of pressure, velocity profiles and turbulent kinetic energy distributions, however the shear stress prediction was failed.
Comprehensive numberical computations have been made for four turbulent swirling jets with and without recirculation to critically evaluate the accuracy and universality of several exising turbulence models as well as of the modified k-.epsilon. model proposed in the present study. A numerical scheme based on the full Navier-Stoke equations ha been developed and used for this purpose. Inlet conditions are given by experiments, whenever possible, to minimize the error due to incorrect initial conditions. The standard k-.epsilon. model performs well for the strongly swirling jets with recirculation while it underpredicts the influence of swirl for weakly swirling jets. Rodi's swirl correction and algebraic stress model do not exhibit universality for the swirling jets. The present modified k-.epsilon. model derived from algebraic stress model accounts for anisotropy and streamline curvature effect on turbulence. This model performs consistently better than others for all cases. It may be because these flows have a strong dependence of stresses on the local strain of the mean flow. The predictions of truculence intensities indicate that this model successfully reflect the curvature effect in swirling jets, i.e. the stabilizing and destabilizing effects of swirl on turbulence transport.
A method of synthetic time series generation was developed and applied to the simulation of homogeneous turbulence in a periodic 3 - D box and the hourly wind data simulation. The method can simulate almost exact sample auto and cross correlations of multiple time series and control non-Gaussian distribution. Using the turbulence simulation, influence of correlations, non-Gaussian distribution, and one-direction anisotropy on homogeneous structure were studied by investigating the spatial distribution of turbulence kinetic energy and enstrophy. An hourly wind data of Typhoon Robin was used to illustrate a capability of the method to simulate sample cross correlations of multiple time series. The simulated typhoon data shows a similar shape of fluctuations and almost exactly the same sample auto and cross correlations of the Robin.
2차원 표층밀도분류의 특성을 동역학적으로 구명하기 위해 수치해석을 할 경우고려해야 할 가장 중요한 문제는 성층상태에서 난류수송의 평가와 자유수표면의 처리이다. 본 연구에서는 2차원 표층밀도분류에 대한 내부흐름의 연직방향구조를 동역학적으로 구명하기 위해서 비정수압 근사 및 대수응력모형(ASM) 을 사용하여 SIMPLE로 알려진 수치모형을 적용하였다. $\kappa-\varepsilon$모형의 결점인 난류의 이방성을 고려한 대수응력 모형(ASM)을 사용한 2차원 표층밀도분류 수치모형은 밀도계층에 포획감쇠 및 자유수면에서 난류구조를 보다 정확하게 규명할 수 있었다. 대수응력모형(ASM)에 의한 유동장의 계산결과는 $\kappa-\varepsilon$ 모형에 의한 결과와 비교하여 상당히 개선되였으며, 수리실험 결과와 잘 일치하여 모형의 적용성이 검증되었다.
본 연구에서는 평판 경계층의 천이 영역에서 평균속도, 표면마찰계수, 간헐도 분포, 에너지 스펙트럼 등의 신뢰성 있는 실험 자료를 획득하였다. 실험 결과 천이가 진행됨에 따라 난류반점이 지배하는 영역이 벽면 근처에서 전 경계층으로 확산되었으며 이러한 현상의 결과로 속도 섭동량에서 비등방성이 크게 나타난다. 천이 이전영역에서는 에너지가 주로 저주파에 집중되어 있다가 천이를 거치면서 에너지가 고주파 성분으로 이동하였다 이는 두 가지 이상의 에너지 발생과 소멸 메커니즘이 천이영역에서 공존하고 있음을 의미한다. 따라서 천이영역에서의 유동장을 예측하기 위한 난류 계산 모형에서 비등방성과 서로 다른 메커니즘을 표현할 수 있기 위해서는 반드시 두 가지 이상의 척도를 표현할 수 있어야 한다.
Nonlinear relationship between Reynolds stresses and the rate of strain of nonlinear k-$\varepsilon$models is evaluated theoretically by using the boundary layer assumptions against the turbulence-driven secondary flows in noncircular ducts and then their prediction performance is validated numerically through the application to the fully developed turbulent flow in a square duct. Typical predicted quantities such as mean axial and secondary velocities, turbulent kinetic energy and Reynolds stresses are compared with available experimental data. The nonlinear k-$\varepsilon$ model adopted in a commercial code is found to be unable to predict accurately duct flows with the prediction level of secondary flows one order less than that of the experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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