Uniform momentum zones in a turbulent boundary layer above a surface with spanwise traveling wave
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018-08-20
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
ENG25
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
69+7
Series
Abstract
With growing need to cut emissions related to transportation, new methods to reduce aero/hydrodynamical drag are being developed constantly. Drag can be divided into friction and pressure drag. One promising branch of approaches to reduce friction drag are the active methods. This thesis focuses on the active drag reduction by means of traveling transversal surface waves. Previously, this method has been shown to yield friction drag reduction of order several percentages in experimental conditions. So far, the research has focused on studying near-wall changes of flow statistics in connection with the surface actuation. Present thesis analyses and compares the large-scale tur-bulent structures above actuated and non-actuated surface. Structures of interest are the uniform momentum zones(UMZ). The experimental data comprises of a large dataset of high resolution particle image velocimetry (PIV) measurements and a micro-particle tracking velocimetry (µ-PTV) measurements. The PIV is used to study the large-scale turbulent structures and the µ-PTV to obtain information on drag reduction. Contrary to previous research on uniform momentum zones, clear dependency on the detection window size and the number of detected zones is observed. This is explained by the ability to detect smaller structures due to the high resolution experimental data. Results show that the number of UMZs is decreased due to the surface actuation. Additionally, these structures seem to be pushed away from the wall during the upward motion and pulled back during the downward motion. No significant changes in the average speed of the zones under surface actuation are noticed. Using conditional averaging, it is noticed that the speed and the location of the UMZ are correlated with the streamwise averaged velocity close to the viscous sub-layer. This is interpreted to be in-line with the superposition of logarithmic layer large-scale motions on the near-wall velocity fluctuations.Kasvava tarve pienentää liikenteestä johtuvia päästöjä on johtaa kasvavaan tarpeeseen kehittää uusia menetelmiä pienentää aero-ja hydrodynaamista vastusta. Tämä vastus voidaan jakaa kitka-ja painevastukseen. Eräs lupaava kehityshaara vastuksen vähentämisessä ovat niin kutsututut aktiiviset menetelmät. Tässä diplomityössä keskitytään tutkimaan aktiviivista menetelmää, jossa kitkavastusta pienennetään aaltomaisella, virtauksen suuntaan nähden poikittain etenevällä pinnan muodonmuutoksella. Aiemmin menetelmän on havaittu pienentävän kitkavastusta useilla prosenteilla. Tähän asti kyseiseen menetelmään liittyen vain lähellä seinämää oleva virtauskenttä on ollut tutkimuksen kohteena. Tässä diplomityössä analysoidaan ja vertaillaan turbulentteja virtausrakenteita tavallisen ja aktuoidun pinnan yläpuolella olevassa rajakerroksessa. Erityisesti tutkimuksen kohteena ovat yhtenäisen liikemäärän alueet (UMZ). Kokeellinen aineisto koostuu suuresta, korkean resoluution PIV mittauksesta sekä mikro-PTV mittauksesta. Työssä PIV:tä käytetään selvittämään rajakerroksessa esiintyvät suuren skaalan turbulentit virtausrakenteet kun taas µ-PTV menetelmällä todennetaan kirtavastuksen vähentyminen. Vastoin aiempia tutkimuksia liittyen UMZ:hin selvä riippuvuus havainnointi-ikkunan ja keskimääräisen havaittujen alueiden lukumäärän välillä on nähtävissä. Tämä selittyy korkean mittausresoluution mahdollistamalla kyvyllä havaita aiempaa pienempiä rakenteita. Tulokset osoittavat, että keskimääräinen UMZ lukumäärä rajakerroksessa pienenee aktuaation seurauksena, tämän lisäksi rakenteiden havaitaan liikkuvan seinämän liikkeiden mukana. Rakenteiden nopeuden ei havaita merkittävästi muuttuvan aktuaatiosta johtuen. Ehdollisia keskiarvoja käyttämällä havaitaan että UMZ:jen nopeus ja sijainti korreloivat viskoosin alikerroksen hetkellisten nopeuksien kanssa. Tämän tulkitaan olevan yhteensopiva aiempien havaintojen suurten ja pienten turbulenttien rakenteiden keksinäsen vuorovaikutuksen, erityisesti superposition kanssa.Description
Supervisor
Kujala, PenttiThesis advisor
Li, WenfengKeywords
uniform momentum zone, drag reduction, particle image velocimetry, particle tracking velocimetry, turbulent boundary layer, large-scale motions
