Baroclinic generation of streamwise vorticity in a stratified shear layer

The existence of an organized streamwise vortical structure, which is superimposed on the well known coherent spanwise vorticity in nominally two-dimensional free shear layers, has been studied extensively. In the presence of stratification, however, buoyancy forces contribute to an additional mechanism for the generation of streamwise vorticity. The purpose of the current investigation is to force the three-dimensional instability in the stratified shear layer. In this manner, we experimentally observe the effect of buoyancy on the streamwise vortex tube evolution, the evolution of the buoyancy-induced instability, and the interaction between these two vortical structures. It is found that streamwise vortices resulting from vortex stretching are weakened in regions of locally stable stratification. Buoyancy-induced vortex structures are shown to form where the unstable part of the interface is tilted by the streamwise vortex tubes. These vortices strengthen initially, then weaken downstream, the time scale for this process depending upon the degree of stratification. For initial Richardson numbers larger than about 0.03, the baroclinically weakened vortex tubes eventually disappear as the flow evolves downstream and the baroclinically generated vortices dominate the three-dimensional flow structure.

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Sommario L'esistenza di una struttura vorticosa nella direzione della corrente, che è sovrapposta alla ben nota vorticità trasversale coerente in flussi di scorrimento (free shear layer) nominalmente bidimensionali, è stata ampiamente studiata. In presenza di stratificazione, però, forze di galleggiamento contribuiscono ad un meccanismo addizionale per la generazione di vorticità nella direzione della corrente. In questa indagine si forza l'instabilità tridimensionale dei flussi stratificati. In questa maniera si osserva sperimentalmente l'effetto del galleggiamento sull'evoluzione della vorticità nella direzione della corrente, l'evoluzione della instabilità indotta dal galleggiamento e l'interazione tra queste due strutture vorticose. Si trova che i vortici nella direzione della corrente, risultanti dall'allungamento del vortice, sono indeboliti in regioni con stratificazione localmente stabile. Si osserva, inoltre, che le strutture di vortici incotte dal galleggiamento si formano quando la parte stabile dell'interfaccia viene ruotata dal tubo di vortice nella direzione della corrente. Questi vortici si rafforzano inizialmente e s'indeboliscono a valle della corrente. Per questo processo la scala temporale dipende dal grado di stratificazione. Per numeri di Richardson inizialmente più grandi di circa 0,03, i tubi di vortici baroclinicamente indeboliti eventualmente spariscono non appena il flusso evolve lungo la corrente ed i vortici generati baroclinicamente dominano la struttura di flusso tridimensionale.