Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Multi-objective Aerodynamic Optimization of High-speed Trains in Tunnels

A genetic algorithm (GA) is employed for the multi-objective shape optimization of the nose of a high-speed train. Aerodynamic problems observed at high speeds become still more relevant when traveling along a tunnel. The objective is to minimize both the aerodynamic drag and the amplitude of the pressure gradient of the compression wave when a train enters a tunnel. The main drawback of GA is the large number of evaluations need in the optimization process. Metamodels-based optimization is considered to overcome such problem. As a result, an explicit relationship between pressure gradient and geometrical parameters is obtained.

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°.

Quasi-cylindrical approximation to the swirling flow in an atomizer chamber

A quasi-cylindrical approximation is used to analyse the axisymmetric swirling flow of a liquid with a hollow air core in the chamber of a pressure swirl atomizer. The liquid is injected into the chamber with an azimuthal velocity component through a number of slots at the periphery of one end of the chamber, and flows out as an anular sheet through a central orifice at the other end, following a conical convergence of the chamber wall. An effective inlet condition is used to model the effects of the slots and the boundary layer that develops at the nearby endwall of the chamber. An analysis is presented of the structure of the liquid sheet at the end of the exit orifice, where the flow becomes critical in the sense that upstream propagation of long-wave perturbations ceases to be possible. This nalysis leads to a boundary condition at the end of the orifice that is an extension of the condition of maximum flux used with irrotational models of the flow. As is well known, the radial pressure gradient induced by the swirling flow in the bulk of the chamber causes the overpressure that drives the liquid towards the exit orifice, and also leads to Ekman pumping in the boundary layers of reduced azimuthal velocity at the convergent wall of the chamber and at the wall opposite to the exit orifice. The numerical results confirm the important role played by the boundary layers. They make the thickness of the liquid sheet at the end of the orifice larger than predicted by rrotational models, and at the same time tend to decrease the overpressure required to pass a given flow rate through the chamber, because the large axial velocity in the boundary layers takes care of part of the flow rate. The thickness of the boundary layers increases when the atomizer constant (the inverse of a swirl number, proportional to the flow rate scaled with the radius of the exit orifice and the circulation around the air core) decreases. A minimum value of this parameter is found below which the layer of reduced azimuthal velocity around the air core prevents the pressure from increasing and steadily driving the flow through the exit orifice. The effects of other parameters not accounted for by irrotational models are also analysed in terms of their influence on the boundary layers.

A code for direct numerical simulation of turbulent boundary layers at high Reynolds numbers in BG/P supercomputers

A new high-resolution code for the direct numerical simulation of a zero pressure gradient turbulent boundary layers over a flat plate has been developed. Its purpose is to simulate a wide range of Reynolds numbers from Reθ = 300 to 6800 while showing a linear weak scaling up to 32,768 cores in the BG/P architecture. Special attention has been paid to the generation of proper inflow boundary conditions. The results are in good agreement with existing numerical and experimental data sets.

Entrainment Effects in Turbulent Boundary Layers

Esta tesis estudia el comportamiento de la región exterior de una capa límite turbulenta sin gradientes de presiones. Se ponen a prueba dos teorías relativamente bien establecidas. La teoría de semejanza para la pared supone que en el caso de haber una pared rugosa, el fluido sólo percibe el cambio en la fricción superficial que causa, y otros efectos secundarios quedarán confinados a una zona pegada a la pared. El consenso actual es que dicha teoría es aproximadamente cierta. En el extremo exterior de la capa límite existe una región producida por la interacción entre las estructuras turbulentas y el flujo irrotacional de la corriente libre llamada interfaz turbulenta/no turbulenta. La mayoría de los resultados al respecto sugieren la presencia de fuerzas de cortadura ligeramente más intensa, lo que la hace distinta al resto del flujo turbulento. Las propiedades de esa región probablemente cambien si la velocidad de crecimiento de la capa límite aumenta, algo que puede conseguirse aumentando la fricción en la pared. La rugosidad y la ingestión de masa están entonces relacionadas, y el comportamiento local de la interfaz turbulenta/no turbulenta puede explicar el motivo por el que las capas límite sobre paredes rugosas no se comportan como en el caso de tener paredes lisas precisamente en la zona exterior. Para estudiar las capas límite a números de Reynolds lo suficientemente elevados, se ha desarrollado un nuevo código de alta resolución para la simulación numérica directa de capas límite turbulentas sin gradiente de presión. Dicho código es capaz de simular capas límite en un intervalo de números de Reynolds entre ReT = 100 — 2000 manteniendo una buena escalabilidad hasta los dos millones de hilos en superordenadores de tipo Blue Gene/Q. Se ha guardado especial atención a la generación de condiciones de contorno a la entrada correctas. Los resultados obtenidos están en concordancia con los resultados previos, tanto en el caso de simulaciones como de experimentos. La interfaz turbulenta/no turbulenta de una capa límite se ha analizado usando un valor umbral del módulo de la vorticidad. Dicho umbral se considera un parámetro para analizar cada superficie obtenida de un contorno del módulo de la vorticidad. Se han encontrado dos regímenes distintos en función del umbral escogido con propiedades opuestas, separados por una transición topológica gradual. Las características geométricas de la zona escalan con o99 cuando u^/isdgg es la unidad de vorticidad. Las propiedades del íluido relativas a la posición del contorno de vorticidad han sido analizados para una serie de umbrales utilizando el campo de distancias esféricas, que puede obtenerse con independencia de la complejidad de la superficie de referencia. Las propiedades del fluido a una distancia dada del inerfaz también dependen del umbral de vorticidad, pero tienen características parecidas con independencia del número de Reynolds. La interacción entre la turbulencia y el flujo no turbulento se restringe a una zona muy fina con un espesor del orden de la escala de Kolmogorov local. Hacia el interior del flujo turbulento las propiedades son indistinguibles del resto de la capa límite. Se ha simulado una capa límite sin gradiente de presiones con una fuerza volumétrica cerca de la pared. La el forzado ha sido diseñado para aumentar la fricción en la pared sin introducir ningún efecto geométrico obvio. La simulación consta de dos dominios, un primer dominio más pequeño y a baja resolución que se encarga de generar condiciones de contorno correctas, y un segundo dominio mayor y a alta resolución donde se aplica el forzado. El estudio de los perfiles y los coeficientes de autocorrelación sugieren que los dos casos, el liso y el forzado, no colapsan más allá de la capa logarítmica por la complejidad geométrica de la zona intermitente, y por el hecho que la distancia a la pared no es una longitud característica. Los efectos causados por la geometría de la zona intermitente pueden evitarse utilizando el interfaz como referencia, y la distancia esférica para el análisis de sus propiedades. Las propiedades condicionadas del flujo escalan con 5QQ y u/uT, las dos únicas escalas contenidas en el modelo de semejanza de pared de Townsend, consistente con estos resultados. ABSTRACT This thesis studies the characteristics of the outer region of zero-pressure-gradient turbulent boundary layers at moderate Reynolds numbers. Two relatively established theories are put to test. The wall similarity theory states that with the presence of roughness, turbulent motion is mostly affected by the additional drag caused by the roughness, and that other secondary effects are restricted to a region very close to the wall. The consensus is that this theory is valid, but only as a first approximation. At the edge of the boundary layer there is a thin layer caused by the interaction between the turbulent eddies and the irroational fluid of the free stream, called turbulent/non-turbulent interface. The bulk of results about this layer suggest the presence of some localized shear, with properties that make it distinguishable from the rest of the turbulent flow. The properties of the interface are likely to change if the rate of spread of the turbulent boundary layer is amplified, an effect that is usually achieved by increasing the drag. Roughness and entrainment are therefore linked, and the local features of the turbulent/non-turbulent interface may explain the reason why rough-wall boundary layers deviate from the wall similarity theory precisely far from the wall. To study boundary layers at a higher Reynolds number, a new high-resolution code for the direct numerical simulation of a zero pressure gradient turbulent boundary layers over a flat plate has been developed. This code is able to simulate a wide range of Reynolds numbers from ReT =100 to 2000 while showing a linear weak scaling up to around two million threads in the BG/Q architecture. Special attention has been paid to the generation of proper inflow boundary conditions. The results are in good agreement with existing numerical and experimental data sets. The turbulent/non-turbulent interface of a boundary layer is analyzed by thresholding the vorticity magnitude field. The value of the threshold is considered a parameter in the analysis of the surfaces obtained from isocontours of the vorticity magnitude. Two different regimes for the surface can be distinguished depending on the threshold, with a gradual topological transition across which its geometrical properties change significantly. The width of the transition scales well with oQg when u^/udgg is used as a unit of vorticity. The properties of the flow relative to the position of the vorticity magnitude isocontour are analyzed within the same range of thresholds, using the ball distance field, which can be obtained regardless of the size of the domain and complexity of the interface. The properties of the flow at a given distance to the interface also depend on the threshold, but they are similar regardless of the Reynolds number. The interaction between the turbulent and the non-turbulent flow occurs in a thin layer with a thickness that scales with the Kolmogorov length. Deeper into the turbulent side, the properties are undistinguishable from the rest of the turbulent flow. A zero-pressure-gradient turbulent boundary layer with a volumetric near-wall forcing has been simulated. The forcing has been designed to increase the wall friction without introducing any obvious geometrical effect. The actual simulation is split in two domains, a smaller one in charge of the generation of correct inflow boundary conditions, and a second and larger one where the forcing is applied. The study of the one-point and twopoint statistics suggest that the forced and the smooth cases do not collapse beyond the logarithmic layer may be caused by the geometrical complexity of the intermittent region, and by the fact that the scaling with the wall-normal coordinate is no longer present. The geometrical effects can be avoided using the turbulent/non-turbulent interface as a reference frame, and the minimum distance respect to it. The conditional analysis of the vorticity field with the alternative reference frame recovers the scaling with 5QQ and v¡uT already present in the logarithmic layer, the only two length-scales allowed if Townsend’s wall similarity hypothesis is valid.