High reynolds numbers turbulent boundary layers

Esta tesis estudia las similitudes y diferencias entre los flujos turbulentos de pared de tipo externo e interno, en régimen incompresible, y a números de Reynolds moderada¬mente altos. Para ello consideramos tanto simulaciones numéricas como experimentos de capas límites con gradiente de presiones nulo y de flujos de canal, ambos a números de Reynolds en el rango δ+ ~ 500 - 2000. Estos flujos de cortadura son objeto de numerosas investigaciones debido a la gran importancia que tienen tanto a nivel tecnológico como a nivel de física fundamental. No obstante, todavía existen muchos interrogantes sobre aspectos básicos tales como la universalidad de los perfiles medios y de fluctuación de las velocidades o de la presión, tanto en la zona cercana a la pared como en la zona logarítmica, el escalado y el efecto del número de Reynolds, o las diferencias entre los flujos internos y externos en la zona exterior. En éste estudio hemos utilizado simulaciones numéricas ya existentes de canales y capas límites a números de Reynolds δ+ ~ 2000 y δ+ ~ 700, respectivamente. Para poder comparar ambos flujos a igual número de Reynolds hemos realizado una nueva simulación directa de capa límite en el rango δ+ ~ 1000-2000. Los resultados de la misma son presentados y analizados en detalle. Los datos sin postprocesar y las estadísticas ya postprocesadas están públicamente disponibles en nuestro sitio web.162 El análisis de las estadísticas usando un único punto confirma la existencia de perfiles logarítmicos para las fluctuaciones de la velocidad transversal w'2+ y de la presión p'2+ en ambos tipos de flujos, pero no para la velocidad normal v'2+ o la velocidad longitudinal u'2+. Para aceptar o rechazar la existencia de un rango logarítmico en u'2+ se requieren números de Reynolds más altos que los considerados en éste trabajo. Una de las conse¬cuencias más importantes de poseer tales perfiles es que el valor máximo de la intensidad, que se alcanza cerca de la pared, depende explícitamente del número de Reynolds. Esto ha sido confirmado tras analizar un gran número de datos experimentales y numéricos, cor¬roborando que el máximo de u'2+, p/2+, y w'2+ aumenta proporcionalmente con el log(δ+). Por otro lado, éste máximo es más intenso en los flujos externos que en los internos. La máxima diferencia ocurre en torno a y/δ ~ 0.3-0.5, siendo esta altura prácticamente independiente del número de Reynolds considerado. Estas diferencias se originan como consecuencia del carácter intermitente de las capas límites, que es inexistente en los flujos internos. La estructura de las fluctuaciones de velocidad y de presión, junto con la de los esfuer¬zos de Reynolds, se han investigado por medio de correlaciones espaciales tridimensionales considerando dos puntos de medida. Hemos obtenido que el tamaño de las mismas es gen¬eralmente mayor en canales que en capas límites, especialmente en el caso de la correlación longitudinal Cuu en la dirección del flujo. Para esta correlación se demuestra que las es¬tructuras débilmente correladas presentan longitudes de hasta 0(75), en el caso de capas límites, y de hasta 0(185) en el caso de canales. Estas longitudes se obtienen respecti-vamente en la zona logarítmica y en la zona exterior. Las longitudes correspondientes en la dirección transversal son significativamente menores en ambos flujos, 0(5 — 25). La organización espacial de las correlaciones es compatible con la de una pareja de rollos casi paralelos con dimensiones que escalan en unidades exteriores. Esta organización se mantiene al menos hasta y ~ 0.65, altura a la cual las capas límites comienzan a organi¬zarse en rollos transversales. Este comportamiento es sin embargo más débil en canales, pudiéndose observar parcialmente a partir de y ~ 0.85. Para estudiar si estas estructuras están onduladas a lo largo de la dirección transver¬sal, hemos calculado las correlaciones condicionadas a eventos intensos de la velocidad transversal w'. Estas correlaciones revelan que la ondulación de la velocidad longitudinal aumenta conforme nos alejamos de la pared, sugiriendo que las estructuras están más alineadas en la zona cercana a la pared que en la zona lejana a ella. El por qué de esta ondulación se encuentra posiblemente en la configuración a lo largo de diagonales que presenta w'. Estas estructuras no sólo están onduladas, sino que también están inclinadas respecto a la pared con ángulos que dependen de la variable considerada, de la altura, y de el contorno de correlación seleccionado. Por encima de la zona tampón e independien¬temente del número de Reynolds y tipo de flujo, Cuu presenta una inclinación máxima de unos 10°, las correlaciones Cvv y Cm son esencialmente verticales, y Cww está inclinada a unos 35°. Summary This thesis studies the similitudes and differences between external and internal in¬compressible wall-bounded turbulent flows at moderately-high Reynolds numbers. We consider numerical and experimental zero-pressure-gradient boundary layers and chan¬nels in the range of δ+ ~ 500 — 2000. These shear flows are subjects of intensive research because of their technological importance and fundamental physical interest. However, there are still open questions regarding basic aspects such as the universality of the mean and fluctuating velocity and pressure profiles at the near-wall and logarithmic regions, their scaling and the effect of the Reynolds numbers, or the differences between internal and external flows at the outer layer, to name but a few. For this study, we made use of available direct numerical simulations of channel and boundary layers reaching δ+ ~ 2000 and δ+ ~ 700, respectively. To fill the gap in the Reynolds number, a new boundary layer simulation in the range δ+ ~ 1000-2000 is presented and discussed. The original raw data and the post-processed statistics are publicly available on our website.162 The analysis of the one-point statistic confirms the existence of logarithmic profiles for the spanwise w'2+ and pressure p'2+ fluctuations for both type of flows, but not for the wall-normal v'2+ or the streamwise u'2+ velocities. To accept or reject the existence of a logarithmic range in u'2+ requires higher Reynolds numbers than the ones considered in this work. An important consequence of having such profiles is that the maximum value of the intensities, reached near the wall, depends on the Reynolds number. This was confirmed after surveying a wide number of experimental and numerical datasets, corrob¬orating that the maximum of ul2+, p'2+, and w'2+ increases proportionally to log(δ+). On the other hand, that maximum is more intense in external flows than in internal ones, differing the most around y/δ ~ 0.3-0.5, and essentially independent of the Reynolds number. We discuss that those differences are originated as a consequence of the inter¬mittent character of boundary layers that is absent in internal flows. The structure of the velocity and pressure fluctuations, together with those of the Reynolds shear stress, were investigated using three-dimensional two-point spatial correlations. We find that the correlations extend over longer distances in channels than in boundary layers, especially in the case of the streamwise correlation Cuu in the flow direc-tion. For weakly correlated structures, the maximum streamwise length of Cuu is O(78) for boundary layers and O(188) for channels, attained at the logarithmic and outer regions respectively. The corresponding lengths for the transverse velocities and for the pressure are shorter, 0(8 — 28), and of the same order for both flows. The spatial organization of the velocity correlations is shown to be consistent with a pair of quasi-streamwise rollers that scales in outer units. That organization is observed until y ~ 0.68, from which boundary layers start to organize into spanwise rollers. This effect is weaker in channels, and it appears at y ~ 0.88. We present correlations conditioned to intense events of the transversal velocity, w', to study if these structures meander along the spanwise direction. The results indicate that the streamwise velocity streaks increase their meandering proportionally to the distance to the wall, suggesting that the structures are more aligned close to the wall than far from it. The reason behind this meandering is probably due to the characteristic organization along diagonals of w'. These structures not only meander along the spanwise direction, but they are also inclined to the wall at angles that depend on the distance from the wall, on the variable being considered, and on the correlation level used to define them. Above the buffer layer and independent of the Reynolds numbers and type of flow, the maximum inclination of Cuu is about 10°, Cvv and Cpp are roughly vertical, and Cww is inclined by 35°.

Reduced order modeling of three dimensional external aerodynamic flows

A method is presented to construct computationally efficient reduced-order models (ROMs) of three-dimensional aerodynamic flows around commercial aircraft components. The method is based on the proper orthogonal decomposition (POD) of a set of steady snapshots, which are calculated using an industrial solver based on some Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The POD-mode amplitudes are calculated by minimizing a residual defined from the Euler equations, even though the snapshots themselves are calculated from viscous equations. This makes the ROM independent of the peculiarities of the solver used to calculate the snapshots. Also, both the POD modes and the residual are calculated using points in the computational mesh that are concentrated in a close vicinity of the aircraft, which constitute a much smaller number than the total number of mesh points. Despite these simplifications, the method provides quite good approximations of the flow variables distributions in the whole computational domain, including the boundary layer attached to the aircraft surface and the wake. Thus, the method is both robust and computationally efficient, which is checked considering the aerodynamic flow around a horizontal tail plane, in the transonic range 0.4?Mach number?0.8, ?3°?angle of attack?3°.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.