Evolution of synthetic streamwise vortices in turbulent boundary layers

Sun, Weiqi; Klewicki, Joseph; Schröder, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2025-08395

Evolution of synthetic streamwise vortices in turbulent boundary layers = Entwicklung synthetischer Strömungswirbel in turbulenten Grenzschichten

Sun, Weiqi^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Weiqi Sun

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025. - Dissertation, University of Melbourne, 2025

Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Klewicki, Joseph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08395
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1019509/files/1019509.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
coherent fluctuation (frei) ; escape scale (frei) ; miniature vortex generators (frei) ; turbulent boundary layers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Turbulente Grenzschichten (TBLs) mit eingebetteten Wirbeln in der Strömungsrichtung sind in der Natur und in industriellen Anwendungen allgegenwärtig. In den letzten Jahrzehnten wurden diesem Thema erhebliche Anstrengungen gewidmet, um das Verständnis der Grenzschichtdynamik zu vertiefen und anschließend potenzielle Strategien zur Strömungskontrolle zu entwickeln. Es besteht jedoch kein vollständiges Verständnis der Entwicklung eingebetteter Strömungswirbel und der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen in Bezug auf ihren wandnormalen Einflussbereich. Die vorliegende Studie untersucht die Entwicklung synthetischer stromwärts gerichteter Wirbel unterschiedlicher Größe in TBLs mit niedriger Wandreibungsreynoldszahl mithilfe hochauflösender planarer Particle Image Velocimetry (PIV)-Messungen und wandaufgelöster Large Eddy Simulation (LES). Die Entwicklung kleiner synthetischer Wirbel in TBLs bei einer Reibungs-Reynoldszahl von 440 wird zunächst mittels LES untersucht. Es wird eine vergleichende Untersuchung der Eigenschaften der kleinen synthetischen und natürlich vorkommenden stromwärts gerichteten Wirbelpaaren (SVPs) im wandnahen Bereich durchgeführt. Es werden Analysen durchgeführt, die eine Driefachzerlegung von Geschwindigkeit und Druck und deren Erweiterung auf die inkompressible Navier-Stokes-Gleichung verwenden, um die Kohärenz- und Turbulenzfelder besser zu verstehen, die mit den synthetischen und natürlich vorkommenden SVPs verbunden sind. Insgesamt wird beobachtet, dass die wandnahen synthetischen und natürlichen Strömungswirbel ähnliche Wechselwirkungen mit dem umgebenden turbulenten Feld haben und Ähnlichkeiten in der statistischen Struktur aufweisen. Es wurde festgestellt, dass die über das Ensemble gemittelten natürlichen und synthetischen SVPs ähnliche räumliche Skalen und Entwicklungsmerkmale aufweisen, so dass sie in innerer Skalierung ähnliche Größenordnungen an vergleichbaren Positionen in Strömungsrichtung aufweisen. Diese Ähnlichkeiten legen nahe, dass eingebettete kleine synthetische Wirbel in Strömungsrichtung im wandnahen Bereich in sich geschlossen sind und direkt mit den Strukturen in diesem Bereich interagieren, um den damit verbundenen turbulenten Transport zu beeinflussen. Anschließend wird mithilfe von PIV-Messungen und LES eine detaillierte Untersuchung der Entwicklung der kleinen, mesoskaligen und relativ großen synthetischen Wirbel in TBLs bei einer Reibungs-Reynoldszahl von 273 durchgeführt. Diese Wirbel unterschiedlicher Größe werden von geometrisch ähnlichen Miniatur-Wirbelgeneratoren unterschiedlicher Höhe erzeugt. Eine Analyse unter Verwendung einer Dreifachzerlegung des Geschwindigkeitsvektors ergab, dass die wandnormalen Einflussbereiche dieser Wirbel unterschiedlich sind und eine Abhängigkeit von der wandnormalen Spitzenposition der gesamten primären Reynolds-Scherspannungskomponente zeigen. Es wurde festgestellt, dass die Entwicklung der synthetischen Wirbel in TBLs skalenabhängig ist und durch den Wandnormalbereich der positiven (Impulsquelle) und negativen (Impulssenke) gesamten turbulenten Trägheit angezeigt wird. Das Verhältnis des Gradienten der viskosen Spannung (einer kanonischen TBL) zur gesamten turbulenten Trägheit dient als Maß für den wandnormalen Einflussbereich der synthetischen Wirbel. Darüber hinaus zeigt die Analyse der wandnormalen Einflussbereiche die Existenz einer „Flucht“-Skala für die synthetischen Wirbel, die durch das obige Verhältnisprofil geschätzt werden kann. Abschließend wird die Entwicklung der mesoskaligen und relativ großen synthetischen Wirbel unter erheblichen Einschränkungen ihrer Spannweitengröße mittels PIV-Messungen untersucht. Es wurde festgestellt, dass diese eingeschränkten mesoskaligen und relativ großen synthetischen Wirbel tendenziell einen begrenzteren Einflussbereich haben, der durch die veränderten Impulstransportsignaturen in TBLs aufgrund der Einschränkungen ihrer Spannweitenskala gekennzeichnet ist.

Turbulent boundary layers (TBLs) with embedded streamwise vortices are ubiquitous in nature and industrial applications. Considerable effort has been devoted to this topic for the past several decades to deepen the understanding of boundary dynamics, and then develop potential flow control strategies. There is, however, a limited understanding of the evolution characteristics of embedded streamwise vortices and the underlying physical mechanisms regarding their wall-normal domain of influence. The present study investigates the evolution of synthetic streamwise vortices of different size in low-friction-Reynolds-number TBLs using high-resolution planar Particle Image Velocimetry (PIV) measurements and wall-resolved Large Eddy Simulation (LES). The evolution of small synthetic vortices in TBLs at a friction Reynolds number of 440 is first explored using the LES. A comparative study of the properties of the small synthetic and naturally occurring streamwise vortex pairs (SVPs) in the near-wall region is performed. Analyses employing a triple decomposition of velocity and pressure and its extension to the incompressible Navier-Stokes equation are used to better understand the coherent and turbulence fields associated with the synthetic and naturally occurring SVPs. Overall, it is observed that the near-wall synthetic and natural streamwise vortices have similar interactions with the surrounding turbulent field, and exhibit similarities in statistical structure. It is found that the ensemble-averaged natural and synthetic SVPs are identified to own similar spatial scales and evolution characteristics such that when they are inner scaled they exhibit similar magnitudes at comparable streamwise stations. These similarities suggest that embedded small synthetic streamwise vortices are self-contained in the near-wall region and directly interact with the structures in this area to influence the associated turbulent transport. A detailed investigation of the evolution of the small, mesoscale and relatively large synthetic vortices in TBLs at a friction Reynolds number of 273 is then performed using PIV measurements and LES. These varying-size vortices are generated from geometrically similar miniature vortex generators of different heights. Analysis employing a triple decomposition of velocity found that the wall-normal domains of influence of these vortices are different and show dependence on the wall-normal peak location of the total primary Reynolds shear stress component. It is found that the evolution of the synthetic vortices in TBLs is scale-dependent and indicated by the wall-normal range of the positive (momentum source) and negative (momentum sink) total turbulent inertia. The ratio of the gradient of the viscous stress (of a canonical TBL) to the total turbulent inertia acts as a diagnostic of the wall-normal domain of influence of the synthetic vortices. Furthermore, the analysis of the wall-normal domains of influence shows the existence of an 'escape' scale for the synthetic vortices that can be estimated by the above ratio profile. Finally, the evolution of the mesoscale and relatively large synthetic vortices under significant constraints on their spanwise size is examined via PIV measurements. It is found that these constrained mesoscale and relatively large synthetic vortices tend to have a more limited domain of influence. This is characterized by the modified momentum transport signatures in TBLs due to the constraints on their spanwise scale.

OpenAccess:
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