Turbulence structures and turbulence statistics in an adverse pressure gradient (APG) turbulent boundary layer (TBL) are explored. Direct numerical simulation (DNS) of the APG TBL at $Re_{\theta}$ = 6000 are performed. The presence of APG results from the enhancement of large-scale motions (LSMs) in the outer region. LSMs influence surrounding flows by amplitude modulation (AM) and footprints. These large-scale influences are extended to vortical motions. In particular, the vortical motions are closely related to the skin friction coefficient ($C_f$), which can be decomposed into several terms related to velocity–vorticity correlations (VVCs). Although total $C_f$ decreases in APG TBL, results of conditional sampling and energy spectra show that the vortical motions are amplified through AM and footprint influences of enhanced LSMs, leading to that $C_f$ terms related to VVCs increase. To investigate enhanced LSMs in detail, turbulence structures identified from instantaneous flow field are examined in the sense of Townsend’s attached-eddy hypothesis. Self-similar wall-attached structures are universal, and non-self-similar ones are closely related to outer LSMs. In addition, self-similar wall-detached structures are mainly populated in the outer region, and non-self-similar ones are the main energy-dissipating motions. Several turbulence statistics in APG TBL are first reported. The investigation of characteristics LSMs and various turbulence statistics in APG TBLs provides in-depth understanding of coherent structures and the turbulence modeling.
역압력 구배 난류 경계층에서 난류 구조 및 난류 통계량을 살펴보았다. 이를 위하여 운동량 두께 레이놀즈 수 6000을 갖는 역압력 구배 난류 경계층에 대한 직접수치모사를 수행하였다. 역압력 구배의 존재로 외부 영역의 대형 구조가 강화된다. 대형 구조는 주변 유동에 진폭변조 및 발자국으로 영향을 미친다. 이러한 영향은 와류 운동에도 이르는 것을 확인하였다. 특히 와류 운동은 표면 저항 계수와 밀접한 연관이 있으며, 이 표면 저항 계수는 속도-와류 섭동과 관련된 여러 항으로 분해된다. 전체 표면 저항 계수는 감소하지만, 강화된 대형 구조의 진폭변조 및 발자국 영향이 와류 운동을 증폭시켜 이와 관련된 표면 저항 계수는 증가함을 조건부 샘플링과 에너지 스펙트럼을 통하여 확인하였다. 역압력 구배 난류 경계층에서 강화되는 대형 구조를 자세히 분석하기 위하여, 난류 구조를 순간 유동장에서 검출하고 이들을 Townsend의 벽 부착 와류 가설 관점에서 분류하여 살펴보았다. 자가 유사한 벽 부착 구조는 보편적이며, 자가 유사하지 않는 벽 부착 구조는 외부 영역의 대형 구조와 관련되어있다. 자가 유사한 벽 분리 구조는 주로 외부 영역에 분포하며, 자가 유사하지 않는 벽 분리 구조는 난류 에너지 소산에 주로 관여한다. 이와 더불어 역압력 구배 난류 경계층의 여러 난류 통계량들을 처음으로 학계에 보고하였다. 본 연구에서 살펴본 난류 구조의 특징과 각종 난류 통계량들은 역압력 구배 난류 경계층에서의 난류 구조 이해와 난류 모델링에 큰 도움이 될 것이다.
