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Turbulent Poiseuille Flow with Uniform Wall Blowing and Suction.

Avsarkisov, Victor :
Turbulent Poiseuille Flow with Uniform Wall Blowing and Suction.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Turbulent Poiseuille Flow with Uniform Wall Blowing and Suction.
Language: English
Abstract:

The objective of this thesis is the analysis of a fully developed, turbulent Poiseuille flow with wall transpiration, i.e. uniform blowing and suction on the lower and upper walls correspondingly. In the present study Lie group analysis of two-point correlation (TPC) equations and a set of Direct Numerical Simulations (DNS) of the three-dimensional, incompressible Navier-Stokes equations are used. The former is applied to find symmetry transformations and in turn to derive invariant solutions of the set of two- and multi-point correlation equations, while the latter is used to simulate turbulent channel flow with wall-transpiration at different Reynolds numbers and transpiration velocities. Both tools are used to find new mean velocity scaling laws. Consequently, it is shown that the transpiration velocity is a symmetry breaking, which implies a logarithmic scaling law in the core region of the channel. DNS validates the result of Lie symmetry analysis and, hence, aids establishing a new logarithmic law of deficit-type. The region of validity of the new logarithmic law is very different from the usual near-wall log-law and the slope constant in the core region differs from the von Karman constant and is equal to 0.3. Apart from the new log-law, extended forms of the linear viscous sublayer law and the near-wall log-law are derived. It is shown that these extended laws, as a particular case, include classical scaling laws obtained for the non-transpirating case. For the near-wall log-law it is found that transpiration only changes the additive constant (C) leaving the von Karman constant unaltered. The results present in the presented thesis indicate that high-Reynolds number and high-transpiration effects counterbalance in the near-wall region and amplify each other in the core region of the flow. It is found that at very high transpiration rates the flow tends to become laminar. Finally, structural analysis of the near-wall regions reveal that wall-blowing boosts generation of hairpin-type vortical structures and amplifies large scale motions (LSMs). Third and forth chapters of the present thesis are heavily based on the paper Avsarkisov, Oberlack & Hoyas (2014).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung einer komplett entwickelten, turbulenten Poiseuilleströmung mit Wandtranspiration, d.h. mit einem uniformen Einstrom bzw. Absaugung an der unteren bzw. oberen Wand. Zu diesem Zweck werden eine Lie-Gruppen-Analyse der Gleichungen der Zwei-Punkt-Korrelation (TPC) sowie ein Satz direkter numerischer Simulationen (DNS) der dreidimensionalen, inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen verwendet. Erstere wird angewandt um Symmetrietransformationen der Gleichungen der Zwei- und Multi-Punkt-Korrelationen zu finden und aus diesen invariante Lösungen zu berechnen, letztere werden verwendet um die turbulente Strömung in einem Kanal mit Wandtranspiration bei verschiedenen Reynoldsnummern und Transpirationsgeschwindigkeiten zu simulieren. Diese beiden Werkzeuge werden zur Bestimmung eines neuen Skalengesetzes für das mittlere Geschwindigkeitsfeld benutzt. Als Folge wird gezeigt, dass die Transpirationsgeschwindigkeit symmetriebrechend wirkt, was ein logarithmisches Skalengesetz in der Kernregion des Kanals impliziert. Die DNS bestätigen das Ergebnis der Lie-Symmetrieanalysis und unterstützen somit die Einführung eines neuen logarithmischen Gesetzes vom Defizittyp. Der Gültigkeitsbereich des neuen logarithmischen Gesetzes weicht stark von dem des normalen wandnahen Log-Gesetzes ab. Die Steigungskonstante unterscheidet sich von der von Karman-Konstanten und nimmt einen Wert von 0.3 an. Neben dem neuen Log-Gesetz werden erweiterte Formen des Gesetzes in der linearen viskosen Unterschicht und des wandnahe Log-Gesetzes berechnet. Es wird gezeigt, dass diese erweiterten Gesetze die klassischen Skalengesetze als Spezialfall verschwindender Transpiration beinhalten. Für das wandnahe Log-Gesetz zeigt sich, dass nichtverschwindende Transpiration nur die additive Konstante (C) beeinflusst und die von Karman-Konstante unverändert bleibt. Die Ergebnisse in dieser Arbeit zeigen, dass sich Effekte aufgrund groß er Reynoldszahlen und hoher Transpiration im wandnahen Bereich aufwiegen und sich im Kernbereich der Strömung gegenseitig verstärken. Für sehr hohe Transpirationsraten wird eine Neigung der Strömung, laminar zu werden, festgestellt . Schlussendlich zeigt eine Strukturanalysis des wandnahen Bereiches, dass die Einströmung die Generierung von haarnadelförmiger Wirbelstrukturen fördert und groß skalige Bewegungen (LSMs) verstärkt. Das dritte und vierte Kapitel dieser Arbeit basieren stark auf dem Artikel Avsarkisov, Oberlack & Hoyas (2014).German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy)
Date Deposited: 26 May 2014 07:54
Last Modified: 26 May 2014 07:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39310
Referees: Oberlack, Prof. Martin and Jakirlic, Apl. Prof. Suad
Refereed: 5 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3931
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