[论文解读] Turbulent skin-friction reduction by wavy surfaces

Sacha Ghebali, S. I. Chernyshenko+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 36被引用 21

一句话总结

本研究通过倾斜波状壁面被动模拟无主动激励的时空斯托克斯层（SSL）的剪切应变效应，在湍流通道流中实现阻力减阻。直接数值模拟显示，由于摩擦阻力减少2%，压力阻力增加1.3%，净阻力减少约0.5%；当以壁面单位无量纲化时，横向剪切应变保持近似与雷诺数无关。

ABSTRACT

Direct numerical simulations of fully-developed turbulent channel flows with wavy walls are undertaken. The wavy walls, skewed with respect to the mean flow direction, are introduced as a means of emulating a Spatial Stokes Layer (SSL) induced by in-plane wall motion. The transverse shear strain above the wavy wall is shown to be similar to that of a SSL, thereby affecting the turbulent flow, and leading to a reduction in the turbulent skin-friction drag. The pressure- and friction-drag levels are carefully quantified for various flow configurations, exhibiting a combined maximum overall-drag reduction of about 0.5%. The friction-drag reduction is shown to behave approximately quadratically for small wave slopes and then linearly for higher slopes, whilst the pressure-drag penalty increases quadratically. Unlike in the SSL case, there is a region of increased turbulence production over a portion of the wall, above the leeward side of the wave, thus giving rise to a local increase in dissipation. The transverse shear-strain layer is shown to be approximately Reynolds-number independent when the wave geometry is scaled in wall units.

研究动机与目标

• 探索使用波状壁面作为壁面平面运动的替代方案，实现湍流边界层中被动的几何诱导阻力减小。
• 评估波状壁面是否能够模拟已知可降低表面摩擦的时空斯托克斯层（SSL）的横向剪切应变分布。
• 量化波状壁面构型中摩擦阻力减小与压力阻力增加之间的权衡关系。
• 评估当壁面几何形状以壁面单位无量纲化时，剪切应变分布与阻力减小性能对雷诺数的依赖性。
• 识别限制性能的主要机制，包括局部湍流生成与相位变化效应。

提出的方法

• 采用谱/hp 有限元法对具有波状壁面的充分发展湍流通道流进行直接数值模拟（DNS），具备高空间与时间分辨率。
• 波状壁面与平均流向成角度 θ，产生跨向压力梯度，诱导跨向流动并生成横向剪切应变。
• 将壁面几何形状以壁面单位（如 A⁺, λ⁺）无量纲化，以评估剪切应变分布对雷诺数的独立性。
• 计算并对比摩擦阻力与压力阻力分量，基准为具有相同网格与域尺寸的平面通道流。
• 在 Reτ = 360 条件下进行网格收敛性研究，以评估阻力减小估计值的数值精度与敏感性。
• 分析湍流生成与耗散项，识别波峰背风侧附近局部不稳定性与能量传递机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 被动波状壁面构型是否能有效模拟湍流通道流中时空斯托克斯层（SSL）的横向剪切应变分布？
• RQ2 净阻力减小如何随波高、波长与流动角度变化？最优构型为何？
• RQ3 当壁面几何形状以壁面单位无量纲化时，剪切应变分布与阻力减小性能在多大程度上与雷诺数无关？
• RQ4 限制阻力减小的主要机制是什么，特别是湍流生成与压力阻力方面？
• RQ5 波峰背风侧附近湍流生成的局部增强如何影响整体能量耗散与性能？

主要发现

• 波状壁面上方的横向剪切应变分布与时空斯托克斯层（SSL）高度相似，验证了该模拟策略的有效性。
• 摩擦阻力减小随波坡度的增加呈近似二次关系（小坡度时），高坡度时近似线性；而压力阻力增加随波高呈二次关系。
• 在 Reτ ≈ 360 条件下，对于 A⁺ ≈ 20、λ⁺ ≈ 920、θ = 70° 的构型，基于最细网格分辨率估算的净阻力减小约为 0.5%。
• 当壁面几何形状以壁面单位无量纲化时，剪切应变分布近似与雷诺数无关，表明其在不同雷诺数下具有鲁棒性。
• 在波峰背风侧上方观察到湍流生成的局部峰值，导致耗散增加，从而抵消部分阻力减小效果。
• 波状壁面性能受限于压力阻力的二次增长与局部湍流增强的共同作用，削弱了摩擦阻力减小带来的益处。