Coherent structures and control in wall-bounded turbulent flows

• This thesis is concerned with two distinct topics related to the study of wall-bounded turbulence: the connection between instantaneous three-dimensional coherent structures and mean-flow properties, and the development and analysis of pre-determined control techniques for adverse-pressure-gradient boundary layers.We examined regions with intense velocity fluctuations in various flowcases. In turbulent ducts, we found that, on the one hand, the specific geometry of the domain has measurable effects on the shape and dimensions of these structures. On the other hand, however, their contribution to the mean secondary flow, which is the main distinguishing feature of turbulent ducts, is not particularly significant. Intense events contribute to the mean velocity in a similar way as in periodic channels, where the secondary flow is not present. Studying adverse- and zero-pressure-gradient turbulent boundary layers, we found that there are qualitative differences in how intense-fluctuation events affect the mean properties of these two flows. Our results suggest that coherent structures may help to explain history effects and development of the outer peak in wall-tangential fluctuations. An efficient algorithm for percolation analysis and an in-situ adaptor for the simulation code Nek5000 and the visualization software Paraview have also been developed as part of this effort.We also created a new dataset including various combinations of uniform blowing and suction applied to a NACA4412 airfoil, employing high-fidelity numerical simulations and turbulence models. There are significant discrepancies between how the control interacts with turbulence under different pressure-gradient conditions, which illustrates the need of considering test cases as similar as possible to operative conditions in control studies. We also found that the most promising control configuration for a wide range of Reynolds numbers is uniform blowing applied to the airfoil pressure side. In particular, it reduces both pressure and skin-friction drag, resulting in higher aerodynamic efficiency and potential net-energy saving when the actuation cost is included.

• Denna avhandling handlar om två olika ämnen relaterade till studien av väggbunden turbulens: sambandet mellan momentana tredimensionella koherenta strukturer och medelflödesegenskaper och utveckling och analys av förutbestämda styrtekniker för negativ tryckgradientgräns skikten. Vi undersökte regioner med intensiva hastighetsfluktuationer i olika studiefall. I turbulenta kanaler fann vi att å ena sidan har domänens specifika geometri mätbara effekter på formen och dimensionerna hos dessa strukturer. Å andra sidan är deras bidrag till det genomsnittliga sekundära flödet, som är huvudfunktionen i turbulenta kanaler, inte särskilt signifikant. Intensiva händelser bidrar till medelhastigheten på ett liknande sätt som i periodiska kanalströmmar, där sekundärflödet inte finns. När vi studerade ogynnsamma och nolltryckgradient turbulenta gränsskikt, fann vi att det finns kvalitativa skillnader i hur intensiva fluktuationshändelser påverkar medelegenskaperna för dessa två flöden. Våra resultat tyder på att sammanhängande strukturer kan hjälpa till att förklara historiska effekter och utveckling av den yttre toppen i väggtangentiella fluktuationer. En effektiv algoritm för perkoleringsanalys och en adapter på plats för simuleringskoden Nek5000 och visualiseringsmjukvaran Paraview har också utvecklats som en del av detta arbete.Vi skapade en ny dataset inklusive olika kombinationer av enhetlig blåsning och sugning applicerad på en NACA4412-flygplatta, med användning av högkvalitativa numeriska simuleringar och turbulensmodeller. Det finns signifikanta skillnader mellan hur kontrollen interagerar med turbulens under olika tryckgradientförhållanden, vilket illustrerar behovet av att betrakta testfall som liknar operativa förhållanden i kontrollstudier. Vi fann också att den mest lovande kontrollkonfigurationen för ett brett spektrum av Reynolds-nummer är enhetlig blåsning som appliceras på flygplattans trycksida. I synnerhet minskar det både tryck- och hudfriktionsdragningar, vilket resulterar i högre aerodynamisk effektivitet och potentiell nettoenergibesparing när manöverkostnaden beräknas.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Turbulent boundary layers

numerical simulations

coherent structures

predetermined flow control.

Turbulenta gränsskikt

numeriska simuleringar

koherenta strukturer

förutbestämd flödeskontroll

Teknisk mekanik

Engineering Mechanics

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)