Turbulent drag reduction by anisotropic permeable substrates – analysis and direct numerical simulations

阻力 机械 湍流 寄生阻力 雷诺数 不稳定性 直接数值模拟 阻力系数 物理 明渠流量 材料科学 经典力学
作者
G. Gómez-de-Segura,Ricardo García-Mayoral
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:875: 124-172 被引量:60
标识
DOI:10.1017/jfm.2019.482
摘要

We explore the ability of anisotropic permeable substrates to reduce turbulent skin friction, studying the influence that these substrates have on the overlying turbulence. For this, we perform direct numerical simulations of channel flows bounded by permeable substrates. The results confirm theoretical predictions, and the resulting drag curves are similar to those of riblets. For small permeabilities, the drag reduction is proportional to the difference between the streamwise and spanwise permeabilities. This linear regime breaks down for a critical value of the wall-normal permeability, beyond which the performance begins to degrade. We observe that the degradation is associated with the appearance of spanwise-coherent structures, attributed to a Kelvin–Helmholtz-like instability of the mean flow. This feature is common to a variety of obstructed flows, and linear stability analysis can be used to predict it. For large permeabilities, these structures become prevalent in the flow, outweighing the drag-reducing effect of slip and eventually leading to an increase of drag. For the substrate configurations considered, the largest drag reduction observed is ${\approx}$ 20–25 % at a friction Reynolds number $\unicode[STIX]{x1D6FF}^{+}=180$ .
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