The instantaneous structure of a turbulent wall-bounded flow influenced by freestream turbulence: streamwise evolution

自由流 湍流 机械 物理 有界函数 Kε湍流模型 流量(数学) 经典力学 雷诺数 数学分析 数学
作者
Masoud Asadi,Pim A. Bullee,R. Jason Hearst
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1005
标识
DOI:10.1017/jfm.2024.1008
摘要

The instantaneous structure of a turbulent boundary layer (TBL) subjected to freestream turbulence (FST) is investigated at several streamwise locations downstream of an active turbulence-generating grid. Using planar particle image velocimetry, three grid sequences are tested at four streamwise locations with FST intensities up to 10.9 %. A low-turbulence reference case is included for comparison. A novel method is proposed to separate the instantaneous TBL and FST flows by identifying a distinct interface for each realisation using probability density functions of the vorticity field. Two alternative approaches are used to define the interfaces, based on either constant velocity contour lines or constant vorticity magnitude contour lines. The former is found to highlight the momentum events in the velocity fields, whereas the latter outlines the vortical features of the flow. Regardless of the interface choice, when faced with FST, the interface moves closer to the wall on average, and its location fluctuates more. When FST is present, the shear and mean spanwise vorticity magnitudes increase on the TBL side of the interface. Uniform momentum zones (UMZs) beneath the velocity interfaces are identified. In the presence of FST, UMZs located closer to the wall appear to be compressed, resulting in fewer identified UMZs. Moving downstream, the FST intensity decays while the TBL develops. As a result, many characteristics of the TBL recover to an undisturbed state, with the interface moving away from the wall, vorticity and turbulent fluctuations returning to their natural state undisturbed by FST and the number of detected UMZs increasing.
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