The interaction of riblets with wall-bounded turbulence = La interacción de los microsurcos con la turbulencia de pared

García Mayoral, Ricardo (2011). The interaction of riblets with wall-bounded turbulence = La interacción de los microsurcos con la turbulencia de pared. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM).

Description

Title: The interaction of riblets with wall-bounded turbulence = La interacción de los microsurcos con la turbulencia de pared
Author/s:
  • García Mayoral, Ricardo
Contributor/s:
  • Jiménez Sendín, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: May 2011
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM)
Department: Motopropulsión y Termofluidodinámica [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El propósito de esta tesis es dar respuesta a la pregunta ¿por qué dejan de ser eficaces los microsurcos a partir de un tamaño determinado? Los microsurcos, riblets en inglés, son una rugosidad estriada, alineada en la dirección media del flujo turbulento sobre la superficie, especialmente diseñados para reducir el rozamiento entre ésta y el flujo. Están inspirados en superficies biológicas, como los dentículos ordenados de la piel de los tiburones de gran velocidad, y fueron objeto de un gran número de investigaciones en los años ochenta y noventa. Aunque se comprobó que la reducción de la resistencia depende del tamaño de los microsurcos, escalado en unidades de pared, los mecanismos físicos implicados no se habían explicado completamente hasta ahora. Se comprendía cómo interactúan los microsurcos de tamaño infinitesimal con el flujo turbulento, produciendo un cambio en la resistencia proporcional a su tamaño, pero éste no es el régimen de interés práctico. El comportamiento óptimo se da para tamaños mayores, para los que el comportamiento lineal ya se ha perdido, pero antes de que los microsurcos empiecen a adoptar un carácter de rugosidad común y aumenten la resistencia. Este régimen, que es el más relevante desde el punto de vista tecnológico, ha sido justo el peor comprendido, y hemos centrado nuestro estudio en él. Nuestros esfuerzos han seguido tres direcciones básicas. En primer lugar, hemos analizado los datos experimentales disponibles, buscando identificar características comunes en el régimen óptimo de las distintas geometrías de microsurcos existentes. Este estudio nos ha llevado a proponer una nueva escala de longitud, la raíz cuadrada de la sección del surco, para sustituir a la tradicional longitud de espaciado entre microsurcos. Escalando las dimensiones de los microsurcos con esta magnitud, el tamaño para el que colapsa el comportamiento lineal se hace prácticamente universal. Ésto sugiere que el comienzo del colapso está relacionado con un valor del área concreto para la sección del surco. En segundo lugar, hemos realizado un conjunto de simulaciones numéricas directas sobre microsurcos de tamaños que cubren todo el rango de reducción de la resistencia. Así, hemos podido reproducir la transición gradual entre los distintos regímenes. El análisis espectral de los flujos ha sido particularmente fructífero, ya que ha hecho posible la identificación de rollos transversales justo encima de los microsurcos, que comienzan a aparecer cuando el tamaño de los microsurcos se aproxima al óptimo. Ésta es una característica del flujo bastante sorprendente, no por la singularidad del fenómeno, que ya había sido observado anteriormente para otros tipos de superficies complejas y porosas, sino porque la mayoría de los estudios previos se habían centrado en el detalle del flujo sobre cada microsurco como unidad. La originalidad de nuestro tratamiento ha proporcionado las herramientas adecuadas para capturar estructuras coherentes con un soporte transversal más amplio, que interactúan con los microsurcos no de forma individual, sino colectiva. También hemos comprobado que estas estructuras coherentes son responsables del incremento de la resistencia tras el colapso del régimen viscoso. Finalmente, hemos analizado la estabilidad del flujo con un modelo simplificado, que vincula la apariencia de los rollos a una inestabilidad de tipo Kelvin–Helmholtz, como sucede también en el flujo sobre doseles vegetales y superficies porosas. A pesar de que el modelo refleja la presencia de microsurcos sólo de forma general y promediada, consigue capturar los atributos esenciales del colapso del régimen viscoso, y proporciona una justificación teórica para el escalado con la sección del surco. ----------ABSTRACT---------- The purpose of this thesis is to give answer to the question: why do riblets stop working for a certain size? Riblets are small surface grooves aligned in the mean direction of an overlying turbulent flow, designed specifically to reduce the friction between the flow and the surface. They were inspired by biological surfaces, like the oriented denticles in the skin of fastswimming sharks, and were the focus of a significant amount of research in the late eighties and nineties. Although it was found that the drag reduction depends on the riblet size scaled in wall units, the physical mechanisms implicated have not been completely understood up to now. It has been explained how riblets of vanishing size interact with the turbulent flow, producing a change in the drag proportional to their size, but that is not the regime of practical interest. The optimum performance is achieved for larger sizes, once that linear behavior has broken down, but before riblets begin adopting the character of regular roughness and increasing drag. This regime, which is the most relevant from a technological perspective, was precisely the less understood, so we have focused on it. Our efforts have followed three basic directions. First, we have re-assessed the available experimental data, seeking to identify common characteristics in the optimum regime across the different existing riblet geometries. This study has led to the proposal of a new length scale, the square root of the groove crosssection, to substitute the traditional peak-to-peak spacing. Scaling the riblet dimension with this length, the size of breakdown of the linear behavior becomes roughly universal. This suggests that the onset of the breakdown is related to a certain, fixed value of the cross-section of the groove. Second, we have conducted a set of direct numerical simulations of the turbulent flow over riblets, for sizes spanning the full drag reduction range. We have thus been able to reproduce the gradual transition between the different regimes. The spectral analysis of the flows has proven particularly fruitful, since it has made possible to identify spanwise rollers immediately above the riblets, which begin to appear when the riblet size is close to the optimum. This is a quite surprising feature of the flow, not because of the uniqueness of the phenomenon, which had been reported before for other types of complex and porous surfaces, but because most previous studies had focused on the detail of the flow above each riblet as a unit. Our novel approach has provided the adequate tools to capture coherent structures with an extended spanwise support, which interact with the riblets not individually, but collectively. We have also proven that those spanwise structures are responsible for the increase in drag past the viscous breakdown. Finally, we have analyzed the stability of the flow with a simplified model that connects the appearance of rollers to a Kelvin–Helmholtz-like instability, as is the case also for the flow over plant canopies and porous surfaces. In spite of the model emulating the presence of riblets only in an averaged, general fashion, it succeeds to capture the essential attributes of the breakdown, and provides a theoretical justification for the scaling with the groove cross-section.

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Item ID: 66456
DC Identifier: http://oa.upm.es/66456/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66456
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 24 Mar 2021 07:01
Last Modified: 24 Mar 2021 07:01
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