Large eddy simulations of the turbulent channel flow over dimpled surfaces

Abstract

La reducción de la fricción de la piel tiene un papel clave en la eficiencia de los vehículos de transporte ferroviario, por carretera y por vía aérea o sistemas navales como barcos y vehículos submarinos. En los últimos años, existe un interés creciente en investigar las capacidades de reducción de la resistencia turbulenta de las superficies con hoyuelos, que tienen un gran potencial como solución pasiva, mientras que todavía existen puntos de vista altamente contradictorios y tasas de reducción de la resistencia informadas en la literatura, así como una falta de información sobre el mecanismo de reducción de la resistencia. En este estudio, las simulaciones de grandes remolinos (LES) se realizaron para investigar las características y el mecanismo físico del flujo de fluido sobre superficies con hoyuelos en un flujo de canal completamente desarrollado. El número de Reynolds basado en la altura del canal y la velocidad aparente media fue de casi 5600 para todos los casos examinados. En el marco del estudio, se consideraron varias relaciones de profundidad a diámetro de hoyuelos, así como diferentes disposiciones y geometrías de hoyuelos. Se presentan los campos de flujo medios e instantáneos detallados, el presupuesto de energía cinética turbulenta y las características espectrales del flujo. El estudio reveló el potencial de la superficie con hoyuelos para reducir fricción de la piel y proporcionó información crítica sobre las características de flujo que afectan el rendimiento de los hoyuelos.La réduction du frottement cutané joue un rôle clé dans l'efficacité des véhicules de transport ferroviaire, routier et aérien ou des systèmes navals tels que les navires et les véhicules sous-marins. Ces dernières années, on s'intéresse de plus en plus à l'étude des capacités turbulentes de réduction de la traînée des surfaces alvéolées, qui ont un grand potentiel en tant que solution passive, alors qu'il existe encore des points de vue et des taux de réduction de la traînée très contradictoires rapportés dans la littérature, ainsi qu'un manque d'informations sur le mécanisme de réduction de la traînée. Dans cette étude, des simulations à grande échelle (LES) ont été réalisées pour étudier les caractéristiques et le mécanisme physique de l'écoulement de fluide sur des surfaces alvéolées dans un écoulement de canal entièrement développé. Le nombre de Reynolds basé sur la hauteur du canal et la vitesse moyenne en vrac était de près de 5600 pour tous les cas examinés. Dans le cadre de l'étude, divers rapports profondeur/diamètre des alvéoles ainsi que différents agencements et géométries d'alvéoles ont été pris en compte. Les champs d'écoulement moyens et instantanés détaillés, le budget d'énergie cinétique turbulente et les caractéristiques spectrales de l'écoulement sont présentés. L'étude a révélé le potentiel de la surface alvéolée pour réduire frottement cutané et a fourni des informations critiques sur les caractéristiques d'écoulement affectant les performances des fossettes.Reducing skin friction has a key role in the efficiency of rail, highway, and airway transport vehicles or naval systems such as ships and underwater vehicles.In recent years, there is a growing interest in investigating turbulent drag-reducing capabilities of dimpled surfaces, which have great potential as a passive solution, while there still exists highly conflicting views and drag reduction rates reported in the literature as well as a lack of information about the drag reduction mechanism.In this study, large-eddy simulations (LES) were performed to investigate the characteristics and physical mechanism of the fluid flow over dimpled surfaces in a fully developed channel flow.The Reynolds number based on the channel height and the mean bulk velocity was nearly 5600 for all cases examined.Within the framework of the study, various dimple depth to diameter ratios as well as different dimple arrangements and geometries were considered.The detailed mean and instantaneous flow fields, turbulent kinetic energy budget and spectral characteristics of the flow are presented.The study revealed the potential of the dimpled surface in reducing skin friction and provided critical information about the flow features affecting the performance of the dimples.يلعب الحد من احتكاك الجلد دورًا رئيسيًا في كفاءة مركبات النقل بالسكك الحديدية والطرق السريعة والطرق الجوية أو الأنظمة البحرية مثل السفن والمركبات تحت الماء. في السنوات الأخيرة، هناك اهتمام متزايد بالتحقيق في قدرات الحد من السحب المضطربة للأسطح الغمازة، والتي لها إمكانات كبيرة كحل سلبي، في حين لا تزال هناك وجهات نظر متضاربة للغاية ومعدلات الحد من السحب المبلغ عنها في الأدبيات بالإضافة إلى نقص المعلومات حول آلية الحد من السحب. في هذه الدراسة، عمليات المحاكاة الكبيرة (LES) تم إجراؤها للتحقيق في الخصائص والآلية الفيزيائية لتدفق السوائل على الأسطح الغمازة في تدفق قناة متطور بالكامل. كان رقم رينولدز بناءً على ارتفاع القناة ومتوسط سرعة الكتلة حوالي 5600 لجميع الحالات التي تم فحصها. في إطار الدراسة، تم النظر في نسب عمق الغمازة إلى القطر بالإضافة إلى ترتيبات وهندسة الغمازة المختلفة. يتم عرض مجالات التدفق المتوسطة واللحظية التفصيلية وميزانية الطاقة الحركية المضطربة والخصائص الطيفية للتدفق. كشفت الدراسة عن إمكانات السطح الغماز في تقليل احتكاك الجلد وقدم معلومات مهمة حول ميزات التدفق التي تؤثر على أداء الدمامل.