[論文レビュー] Assessment of skin-friction-reduction techniques on a turbulent wing section

Marco Atzori, Ricardo Vinuesa+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、Re_c = 200,000におけるNACA4412翼型の乱流境界層において、一様吹き出しを皮膚摩擦低減技術として評価する。高分解能の大渇乱シミュレーションを用いて、吹き出しにより制御領域で皮膚摩擦が17%低減されるが、圧力ドラッグが増加し、揚力の低下とドラッグの変化がないことから、空力効率が2%低下することを示している。

ABSTRACT

The scope of the present project is to quantify the effects of uniform blowing and body-force damping on turbulent boundary layers subjected to a non-uniform adverse-pressure-gradient distribution. To this end, well-resolved large-eddy simulations are employed to describe the flow around the NACA4412 airfoil at moderate Reynolds number 200, 000 based on freestream velocity and chord length. In the present paper we focus on uniform blowing and the conference presentation will include a comparison with body-force damping applied in the same region. The inner-scaled profiles of the mean velocity and of selected components of the Reynolds-stress tensor are examined and compared with the uncontrolled cases. It is known that uniform blowing and adverse-pressure gradients share some similarities in their effect on the boundary layers, and our results will show that these effects are not independent. The behaviour of the skin-friction coefficient is analyzed through the FIK decomposition, and the impact of this control strategy on the aerodynamic efficiency of the airfoil is discussed.

研究の動機と目的

• 非一様な圧力勾配（APG）条件下における乱流境界層に及ぼされる一様吹き出しの影響を定量化すること。
• 吹き出しによる皮膚摩擦低減が、翼断面全体の空力効率を向上させるかどうかを評価すること。
• FIK分解を用いて、吹き出しとAPGによる皮膚摩擦低減の物理的メカニズムを比較すること。
• 内挿スケール変数を用いた平均速度およびレイノルズ応力プロファイルへの吹き出しの影響を評価すること。
• 流れの歴史および上流条件が、高APG領域における吹き出しの有効性に与える影響を調査すること。

提案手法

• Re_c = 200,000で、スペクトル要素法コードNek5000を用いた高分解能の大渇乱シミュレーション（LES）を実施する。
• LESの安定化と数値的安定性を確保するため、明示的正則化法（ADM-RT）を採用する。
• Cメッシュを用い、L_x = 6c、L_y = 4c、L_z = 0.2cとし、内挿スケール単位でΔx⁺ = 18、Δyₙ⁺ = (0.64;11)、Δz⁺ = 9の解像度を確保する。
• 壁面上の垂直速度を非ゼロに設定することで一様吹き出しを実装し、滑らかでない境界条件を置き換える。
• x/c = 0.1で体積力によるトリッピングを適用し、乱流を誘発する。これは実験的トリッピングストリップを模倣する。
• 皮膚摩擦低減に寄与する圧力勾配、対流、粘性応力の寄与を分析するためにFIK分解を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一様吹き出しは、NACA4412翼型のAPG乱流境界層における平均速度およびレイノルズ応力プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 吹き出しによる皮膚摩擦低減のメカニズムは何か。また、逆圧力勾配によって引き起こされるものとはどのように異なるか？
• RQ3 揚力とドラッグの変化を考慮した場合、一様吹き出しは空力効率をどの程度向上させるか？
• RQ4 異なる逆圧力勾配レベルの領域における吹き出しの有効性はどのように変化するか？
• RQ5 高β領域における吹き出しによる皮膚摩擦低減の観察に、流れの歴史が果たす役割は何か？

主な発見

• Re_c = 200,000において、制御領域（0.24 < x/c < 0.86）で皮膚摩擦係数が17%低減された。
• FIK分解の結果、吹き出しによる皮膚摩擦低減は主に発展項（特に壁面垂直速度）によって駆動されるが、APGの場合は圧力勾配項によって作用する。
• 17%の皮膚摩擦低減にもかかわらず、壁圧力分布の変化に起因する圧力ドラッグの増加により、ドラッグ係数C_dはほぼ変化しない。
• 揚力係数C_lはわずかに低下し、非制御ケースと比較して空力効率（C_l/C_d）が2%低下した。
• 逆圧力勾配パラメータβはレイノルズ数にほぼ依存しないため、Re_c = 200,000を代表的なケースとして用いることが妥当である。
• 吹き出しの有効性はAPGが強い領域で顕著であるが、その背後にある要因（壁面垂直対流の増加か、上流の流れの歴史効果か）はまだ不明である。