Detection of intense events in wall-bounded turbulence

Pérez Encinar, Miguel (2020). Detection of intense events in wall-bounded turbulence. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65160.

Description

Title: Detection of intense events in wall-bounded turbulence
Author/s:
  • Pérez Encinar, Miguel
Contributor/s:
  • Jiménez Sendín, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: February 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

The objectives of this thesis are the detection and characterisation of intense events in turbulent wall-bounded flows, and to elucidate whether these events are controlled by quasi-linear dynamics or not. Specifically, to determine if ‘Orr bursts’, eddies whose dynamics can be described using the linear Orr–Sommerfeld equation, appear in fully nonlinear channel flows. Channel flows constitute the simplest wall-bounded flow and thus can be used as a model of the dynamics of turbulence in the vicinity of more general solid surfaces, like boundary layers or pipes. The first part of this thesis focuses on the detection and characterisation of these events using full information from the flow. The velocity fields of time-resolved databases of channel flows are filtered using both complex band-pass filters, and real-valued low-pass filters. The former allow the computation of local amplitudes and local phases of the turbulent field within a range of wavenumbers, making direct comparisons with the wave-based lineal theory possible. The later bridge the gap between the localised wavepackets obtained from the band-pass filtered fields and turbulent eddies in physical space. The Orr bursts are found to populate the shear-dominated regions of the channel flow, with self-similar sizes respect to the wall, and time scales controlled by the mean shear. These events collaborate at sustaining the streamwise velocity streaks. The combination, and consistent results obtained from both filtering approaches, reveals striking similarities with theQ2-4 pairs responsible for momentum transfer in channel flows, strongly suggesting that the dynamics of the largest tall-attached eddies responsible for momentum transfer are well described by quasi-linear Orr bursts. Second, the possibility of sensing the flow field far away from the wall is explored, using contemporaneous measurements of the three stresses at the wall. The equation for the pressure at the wall is investigated, uncovering that only a small portion of the flow is responsible for generating said pressure, and that the best possible estimation of the flow that can be inferred exclusively from the equation is unphysical, as it does not consider other constrains of the Navier–Stokes equations (NSE). The equation does however suggest that reasonable, data-driven reconstructions of the source term are possible by means of the cross-correlations of the source termand the pressure, which are also related to each other by the linear equation. The form of this reconstruction is found to be equivalent to Linear Stochastic Estimation (LSE), allowing the reconstruction of other quantities that, unlike the source termof the pressure, do not have a linear equation linking them to the wall, e. g. the velocities. Reconstructions of the source termand the velo cities are computed, and their properties show that only large eddies which scale with the distance to the wall are observable, suggesting a quantifiable definition of attached eddies. Finally, the possibility of using LSE to detect Orr bursts from wall measurements is explored. The intense events can be detected using a complex band-pass filtered linear operator, similar to the one used to reconstruct the flow. The most intense events can be detected as they happen, but cannot be predicted with short anticipation, which requires full information from the flow. Even though the nature of their linearities differ, the increased performance of the linear reconstructions in the flow regions which correspond to linear Orr events reassures that this events are reasonably controlled by the mean shear. ----------RESUMEN---------- Los objetivos de esta tesis son la detección y caracterización de eventos intensos en flujos turbulentos delimitados por paredes, y elucidar si estos eventos están controlados por dinámicas cuasilineales o no. Específicamente, determinar si los “Orr bursts”, remolinos cuya dinámica se puede describir usando la ecuación lineal de Orr–Sommerfeld, aparecen en flujos de canales completamente no lineales. Los flujos de canal constituyen el flujo más simple limitado por paredes y, por lo tanto, se pueden emplear como modelo de la dinámica de la turbulencia en la vecindad de superficies sólidas más generales, como capas límite o tuberías. La primera parte de esta tesis se centra en la detección y caracterización de estos eventos, utilizando información completa del flujo. Los campos de velocidad de flujos de canal almacenados en bases de datos resueltas en el tiempo se filtran, utilizando tanto filtros de pasa banda complejos como filtros de pasa bajos reales. Los primeros permiten el cálculo de amplitudes locales y fases locales del campo turbulento, a la vez que aislan un rango de números de onda, haciendo posibles comparaciones directas con la teoría lineal, que está basada en ondas. Los filtros pasa bajos cierra la brecha existente entre los paquetes de ondas localizados obtenidos de los campos filtrados con el pasa banda y los remolinos turbulentos en el espacio físico. Se demuestra que los “Orr bursts” ocupan las regiones dominadas por la cortadura media del canal, con tamaños autosemejantes respecto de la distancia a la pared, y con escalas de tiempo controladas por la cortadura medio. Estos eventos colaboran para mantener las ‘streaks’ de la perturbacion de la velocidad en el sentido del flujo. La combinación y los resultados consistentes obtenidos con ambos filtros revelan similitudes sorprendentes con las parejasQ2-4, responsables de la transferencia de momento en los flujos de pared; lo que sugiere fuertemente que los remolinos más grandes asociados a la transferencia de momento están razonablemente bien descritos con la dinámica de los “Orr bursts” cuasilineales. En segundo lugar, se explora la posibilidad de detectar el campo de velocidades lejos de la pared, utilizando mediciones contemporáneas de los tres esfuerzos limitados a esta. Se investiga la ecuación para la presión en la pared, descubriendo que solo una pequeña porción del flujo es responsable en generar dicha presión, y que la mejor estimación posible del flujo que puede inferirse exclusivamente de la ecuación no es física, al no considerar otras restricciones de las Navier–Stokes equations (NSE). Sin embargo, la ecuación sugiere que es posible obtener reconstrucciones razonables mediante las correlaciones cruzadas del término fuente y la presión, que también es tán relacionadas entre sí por la ecuación lineal. Se encuentra que la forma de esta reconstrucción es equivalente a Linear Stochastic Estimation (LSE), permitiendo así la reconstrucción de otras cantidades que, a diferencia del término fuente de la presión, no tienen una ecuación lineal ligándolas a la pared, como por ejemplo, las velocidades. Se calculan las reconstrucciones del término fuente y de las velocidades, y sus propiedades muestran que sólo los remolinos grandes que se escalan con la distancia a la pared son observables, lo que sugiere una definición cuantificable de remolinos ‘attached’(ligados) a la pared. Finalmente, se explora la posibilidad de usar LSE para detectar “Orr bursts” a partir de mediciones en la pared. Los eventos intensos pueden detectarse utilizando un operador lineal filtrado con el filtro pasa banda complejo, similar al utilizado para reconstruir el flujo. Los eventos más intensos se pueden detectar a medida que ocurren, pero no se pueden predecir con poca anticipación, debido a que esto último requiere información completa del flujo. Aunque la naturaleza de sus linealidades difiere, el rendimiento de las reconstrucciones lineales en las regiones de flujo que corresponden a eventos de Orr lineales es mejor que en el fondo turbulento, corroborando que estos eventos están razonablemente controlados por la cortadura media.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020669505COTURBUNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRIDCoherent Structures in Wall-bounded Turbulence

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Item ID: 65160
DC Identifier: http://oa.upm.es/65160/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65160
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65160
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 02 Nov 2020 07:24
Last Modified: 30 Apr 2021 22:30
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