Transport des contraintes de Reynolds et de l'enstrophie en turbulence de paroi contrôlée par les ondes progressives longitudinales

Reynolds stresses and enstrophy transport in wall turbulence controlled by streamwise travelling waves

• Auteur / Autrice : Mohammad Umair
• Direction : Sedat Tardu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 03/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Davide Gatti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maurizio Quadrio, Bettina Frohnapfel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Simulations numériques directes avec particules résolues

Mots clés libres

Contrôle de la turbulence

Turbulence de paroi

Simulations numériques directes

Turbulence control

Wall turbulence

Direct numerical simulations

Résumé

Des simulations numériques directes ont été réalisées dans un canal pleinement turbulent soumis à des ondes progressives longitudinales (STW) dans le but d'élucider le mécanisme responsable de la réduction de la traînée observée. De grandes amplitudes ont été imposées pour identifier les effets propres des STW, en maintenant à des valeurs constantes la fréquence angulaire et le nombre d'ondes. Une attention particulière est portée sur le mécanisme de transport de l'énergie et de la vorticité, afin de mieux comprendre l'influence du forçage via les STW sur la turbulence en proche paroi. Les ondes progressives longitudinales de grande amplitude bloquent le transfert d'énergie entre les composantes, ce qui entraîne l'arrêt de la dynamique dans la couche tampon près de la paroi. L'analyse présentée ici suggère que l'effet combiné de la perte de communication entre la haute sous couche tampon et la basse sous couche tampon , combinée avec l'amortissement de la composante verticale des contraintes de Reynolds est associé à l'effet d'ondes progressives et se traduit par des réductions significatives de la traînée. En outre, l'analyse du transport de vorticité révèle que l'effet principal du forçage via les STW est d'atténuer l'enstrophie turbulente transversale pariétale, en particulier à la paroi, à travers une diminution importante des fluctuations de la contrainte de cisaillement. Pour renforcer ce dernier point, nous avons réalisé d’autres simulations (des expériences numériques) où les fluctuations de vitesse longitudinale, et par conséquent de la vorticité transversale, ont été artificiellement supprimées en proche paroi. Les invariants de l’anisotropie obtenus à travers le forçage sont fortement similaires à l’écoulement turbulent contrôlé par les STW de grande amplitude. Une analyse détaillée des diverses caractéristiques structurelles est également fournie, notamment la réponse des stries en proche paroi et des couches de cisaillement. Les tourbillons quasi-longitudinaux, qui jouent un rôle clé dans la production de la turbulence pariétale, sont poussés loin de la paroi, ce qui se traduit par un affaiblissement de leur signature dans la sous-couche visqueuse et la basse sous-couche tampon.

Direct numerical simulations of turbulent channel flow subjected to spanwise wall oscillations in the form of streamwise travelling waves (STW) were performed in an effort to elucidate the mechanism responsible for the observed drag reduction. We imposed large amplitudes to identify the proper effects of STW, while keeping the angular frequency and wavenumber fixed at a particular values. We primarily focus on the energy and vorticity transport mechanism, to better understand the influence of STW actuation on the near-wall turbulence. Streamwise travelling waves of large amplitudes were found to block the inter-component energy transfer, resulting in shut off of the near-wall buffer layer dynamics. The analysis presented here suggests that the combined effect of lose of communication between low and high buffer layers with damping in the wall-normal Reynolds stress component is associated to the travelling wave effect, and results in larger drag reduction margins. Furthermore, the analysis of vorticity transport reveals that the primary effect of the STW forcing is to attenuate the spanwise turbulent enstrophy at the wall, which is linked to the fluctuating wall shear stress. To strengthen this point, we performed numerical experiments, where the streamwise fluctuating velocity, and consequently the spanwise vorticity is artificially suppressed next to the wall. The anisotropic invariant maps show striking resemblance for large amplitude STW actuation and artificially forced cases. Detailed analysis of various structural features is provided, which includes the response of the near-wall streaks and shear layers of spanwise fluctuating velocity field. The quasi-streamwise vortices, which play a key role in the production of the near-wall turbulence, are shown to be pushed away from the wall, resulting in their weakened signature at the wall.