Turbulent boundary layer over porous media with wall-normal permeability

物理 机械 湍流 边界层 涡流 雷诺应力 粒子图像测速 雷诺数 多孔介质 经典力学 多孔性 材料科学 复合材料
作者
Zhang Feng,Qingqing Ye
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (9) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0160773
摘要

Porous walls are a widely used passive flow control technique, which shows potential in reducing skin friction and mitigating flow-introduced noise. In the present study, porous media with wall-normal permeability is applied to a flat plate to investigate its interaction with the turbulent boundary layer at the Reynolds number based on friction velocity of Reτ=225. Time-resolved planar and tomographic particle image velocimetry were employed to identify the impact on mean statistics and coherent structures. An overall skin friction reduction of 22% is achieved. The porous wall induces counter-rotating streamwise vortex pairs at the spanwise sides of each pore, leading to momentum transport and the generation of alternative low- and high-speed regions close to the wall. Slip velocity is obtained, associated with the reduction in turbulent fluctuations and Reynolds shear stress. The streamwise velocity streaks and the hairpin vortices are significantly distorted compared with the smooth wall condition due to the downwash and upwash motion, featuring a notable reduction in the number and scale of the coherent structures, in which the skin friction reduction mechanism is related to. The proper orthogonal decomposition analysis returns the most energetic unsteady modes. Although the wall-coherent mode type remains to dominate the production of turbulent fluctuations, the scale and energy content of wall-incoherent modes increase, confirming the modification of the distribution and scale of near-wall turbulent structures.
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