[論文レビュー] Supersonic turbulent channel flows over two and three dimensional sinusoidal rough walls

Mostafa Aghaei Jouybari, Junlin Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2次元および3次元の正弦波的地形を持つ等温粗い壁の上を流れる超音速乱流チャネル流を直接数値シミュレーション(DNS)により調査した。2次元粗さは強力な斜め衝撃波を生成し、乱流生成とエントロピー生成を増加させるのに対し、3次元粗さは弱い衝撃波塊しか生成せず、熱的不可逆生成も低減され、結果として2次元ケースでは温度プロファイルが高くなることが明らかになった。

ABSTRACT

Direct numerical simulations were performed to study supersonic turbulent channel flows over isothermal rough walls. The effect of roughness was incorporated using a newly proposed immersed boundary method. The method uses a level-set/volume-of-fluid field to impose appropriate boundary conditions at the fluid-solid interface. Turbulence statistics of five channel flows (at a Mach number of 1.5 and a bulk Reynolds number of 3000) are compared, including one reference case with both walls smooth and four cases with smooth top walls and rough bottom walls. The four cases differ in the geometry of the roughness, including two 2-dimensional (2D) and two 3-dimensional (3D) sinusoidal waves. Results reveal a strong dependence of the turbulence on the roughness topography and the associated shock patterns. Specifically, the 2D geometries generate strong oblique shock waves that propagate across the channel height and are reflected back to the rough-wall side. These strong shocks are absent for cases with 3D roughness geometries, replaced by weak shocklets. At the impingement locations of the shocks on the top wall in the 2D cases, localized augmentations of turbulence shear production are observed. Such regions of augmented production also exist for the 3D cases, though the augmentation is much weaker. The oblique shock waves are thought to be responsible for a higher entropy generation for cases with 2D surfaces than those with 3D ones, which results in a higher irreversible heat generation and consequently higher temperature profiles for 2D cases compared to the 3D ones.

研究の動機と目的

• 2次元および3次元の正弦波的粗さ地形が超音速乱流チャネル流に与える影響を調査すること。
• 2次元および3次元の粗さ幾何形状における衝撃波構造と乱流統計の違いを理解すること。
• 粗さに起因する衝撃波パターンがエントロピー生成および温度プロファイルに与える影響を定量化すること。
• 新開発の浸漬め境界法が、超音速流における複雑な流体-固体界面を解像度を保って解明できるかを評価すること。

提案手法

• マッハ数1.5、バルクレイノルズ数3000の5つのチャネル流ケースについて、直接数値シミュレーション(DNS)を実施した。
• 流体-固体界面における境界条件を強制するために、レベルセット法および体積分率法を用いた新規の浸漬め境界法を採用した。
• この手法は、複雑な2次元および3次元の正弦波的地形を持つ等温粗い壁面上のスリップ禁止および等温境界条件を高精度に捉えることができる。
• 乱流統計、衝撃波構造、エントロピー生成を、滑らかな壁を含む5つのケース全体で分析した。
• シミュレーションフレームワークは、衝撃波-乱流相互作用を捉えるために、高空間・高時間分解能で全ナビエ-ストークス方程式を解釈した。
• 衝撃波パターンとその上流壁への衝突を分析し、局所的乱流生成との関連を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元および3次元の正弦波的粗さ幾何形状は、超音速乱流チャネル流における衝撃波の形成および伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ2 斜め衝撃波は、粗い壁付近での乱流せん断生成をどのように強化するか？
• RQ3 粗さの地形は、超音速流におけるエントロピー生成および不可逆的熱移動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜ2次元粗さ表面は3次元粗さ表面よりも高い温度プロファイルを示すのか？
• RQ5 3次元粗さケースにおける衝撃波塊は、2次元ケースの強い斜め衝撃波と比べて、強度および構造においてどの程度異なるか？

主な発見

• 2次元正弦波的粗さは、チャネル全体を横断して伝播し、粗い壁に向かって反射する強い斜め衝撃波を生成するが、3次元粗さは弱い衝撃波塊しか生成しない。
• 2次元ケースの斜め衝撃波は、上流壁上での衝突点に局所的な乱流せん断生成の増幅領域を生じる。
• 3次元ケースでも乱流生成は増幅されるが、2次元ケースに比べて著しく弱い。
• 2次元ケースでは強い衝撃波の存在により、エントロピー生成と不可逆的熱生成が3次元ケースよりも顕著に増加する。
• その結果、熱的不可逆性の増加に起因し、2次元粗さは3次元粗さよりも高い温度プロファイルを示す。
• 新規の浸漬め境界法は、流体-固体界面における複雑な衝撃波-乱流相互作用を高精度に捉えることに成功した。