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Turbulent skin-friction drag deduction via spanwise wall oscillations

Davide, Gatti :
Turbulent skin-friction drag deduction via spanwise wall oscillations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Turbulent skin-friction drag deduction via spanwise wall oscillations
Language: English
Abstract:

The present work aims at contributing to the development of active flow control via spanwise wall oscillations for turbulent skin-friction drag reduction with numerical and experimental tools, both improving our understanding of their mechanisms and to easing laboratory implementation with a novel actuator principle: the dielectric elastomer actuators (DEA). Dielectric elastomer actuators, capable of large in-plane wall motions, are developed and thoroughly characterized for suitability in flow-control applications. The influence of a major design parameter, the amount of pre-stretch, on static and dynamic actuation is extensively discussed and an optimal combination is found, which yields the best trade-off between actuation amplitude and frequency. DEA-based spanwise oscillating surfaces are tested in a laboratory, low-Reynolds number (Re), fully developed turbulent channel flow, where they yield an actively-induced relative decrease in skin-friction of about 5%. Measurements of the real power required to impose the spanwise oscillations are performed and enable to evaluate the control performance in terms of energetic efficiency. A negative yet promising net power saving, budget between the energy saving and expenditure, is achieved which is several order of magnitude larger than previous experiments with conventional actuator technologies. Direct numerical simulations (DNS) of fully developed turbulent channel flows are performed to study the effects of inhomogeneous actuation on control performance. Spatial onset transients are investigated as source of the commonly-observed discrepancies between laboratory and numerical experiments, by directly comparing the experimental investigations to their numerical idealized representation. The rate at which the drag reduction deteriorates at increasing Re is investigated by exploring a new DNS dataset of turbulent channel flows controlled through an alternative spanwise wall forcing method: the streamwise-traveling waves of spanwise wall velocity. A mathematical relationship between the Reynolds number and the drag reduction is found to predict the dominant part of this decay, which is not specific to the particular control technique but rather inherent in the definition of drag reduction rate.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist aktive Strömungskontrolle mittels Wandbewegung quer zur Strömungsrichtung zur Reduktion turbulenter Oberflächenreibung mit numerischen und experimentellen Werkzeugen beizutragen. Diese dienen dem besseren Verständnis der Mechanismen, sowie der Ermöglichung einer Anwendung eines neuartigen Aktuationsprinzips in Laborexperimenten: den dielektrischen Elastomeraktoren (DEA). Dielektrische Elastomeraktoren, die die Fähigkeit zu großen Bewegungen in der Wandebene besitzen, werden entwickelt und hinsichtlich ihrer Eignung zur Strömungskontrolle charakterisiert. Der Einfluss eines Hauptmerkmals, des Betrags der Vorspannung, auf statische und dynamische Bewegung wird ausführlich diskutiert. Hierdurch wird eine optimale Abstimmung zwischen Amplitude und Frequenz der Bewegung dargestellt. DEA-basierte oszillierende Flächen werden im Labor bei niedrigen Reynolds-Zahlen (Re) in einer vollentwickelten turbulenten Kanalströmung getestet, in der sie eine aktiv induzierte Absenkung der Wandreibung um 5% erzielen. Zusätzlich werden Messungen der real verbrauchten Energie zur Erzeugung von Oszillationen quer zur Strömungsrichtung durchgeführt, was die Beurteilung der Kontrollleistung in Bezug auf die energetische Effizienz ermöglicht. Auf diese Weise wird zwar eine negative aber dennoch vielversprechende Energiebilanz zwischen Energieersparnis und -aufwand erreicht, die um einige Größenordnungen höher liegt als mit bisher getesteten konventionellen Aktuationsprinzipien. Direkte Numerische Simulationen (DNS) von vollentwickelten turbulenten Kanalströmungen werden durchgeführt, um die Auswirkung inhomogener Bewegungen auf die Kontrollleistung zu untersuchen. Der direkte Vergleich der experimentellen Untersuchung mit ihrer numerischen Abbildung weist ein räumlich verzögertes Einsetzen auf, welches ein Grund für die häufig beobachteten Diskrepanzen zwischen Laborexperimenten und numerischen Studien ist. Der Grad, mit dem die Reibungsreduktion bei steigender Re abnimmt, wird anhand eines neuen DNS Datensatzes f\"ur die Kontrolle turbulenter Kanalstr\"omungen mit einer alternativen Wandbewegung quer zur Str\"omungsrichtung beurteilt: die vorw\"arts bewegende Wellen transversaler \\ Geschwindigkeit. Eine mathematische Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl und der Reibungsminderung zur Vorhersage des dominierenden Anteils der Abnahme wird vorgestellt, die nicht spezifisch f\"ur die bestimmte Kontrolltechnik, sondern aus der Definition der Reibungsminderung vorgegeben ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 24 Sep 2015 14:16
Last Modified: 16 Oct 2015 07:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49635
Referees: Tropea, Prof. Cameon and Frohnapfel, Prof. Bettina and Schlaak, Prof. Helmut
Refereed: 17 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4963
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