Skin friction turbulent drag reduction : a Lagrangian perspective

This work addresses the mechanism of turbulent skin-friction drag reduction obtained through spanwise forcing techniques. Lagrangian tracers in a direct numerical simulation (DNS) of a turbulent channel flow are exploited to provide for the first time unquestionable evidence of statistical changes in the flow with drag reduction. Our hope is that such changes, being so large as to be qualitatively unaffected by the subtle scaling problems that typically plague the comparison between two flows (the uncontrolled flow and the drag-reduced one) with different Reynolds number, will provide a lead to the physical understanding of the drag reduction mechanism. In a first part of the thesis, an existing DNS code is augmented with the capability of dealing accurately and efficiently (in terms of memory requirement and computational cost) with massless particles. In a second part, a turbulent channel flow at Re_b=3173 is considered with and without spanwise forcing (the purely temporal wall oscillation and the purely spatial stationary wave) to highlight the strong effect of the forcing on the tracers' trajectories. Statistical quantities (some of which are introduced on purpose) are used to describe such differences, and evidence is obtained for the highly reduced particle diffusion in a thin near-wall layer. The thickness of this layer is measured and compared to that of the Generalized Stokes Layer (GSL), known to bear quantitative relationship with the amount of drag reduction. Lagrangian statistics promise to be key to understand the key physical mechanism by which the spanwise forcing interact with near-wall turbulence to yield reduced levels of friction drag.

In questo lavoro si indaga il meccanismo di riduzione di attrito ottenuto tramite tecniche a forzamento trasversale. Traccianti lagrangiani sono utilizzati in Direct Numerical Simulation (DNS) di canale piano turbolento per ottenere per la prima volta incontestabili evidenze di cambiamenti statistici in corrente con riduzione di resistenza. La nostra speranza è che questo cambiamento, essendo talmente evidente da essere qualitativamente non influenzato dal problema dell'adimensionalizzazione che solitamente affligge le comparazioni tra le due correnti (non controllata e a resistenza ridotta) con diversi numeri di Reynolds, conduca ad una comprensione fisica dei meccanismi di riduzione della resistenza. In una prima parte della tesi, un codice DNS esistente è stato esteso con la capacità interagire accuratamente ed efficientemente (in termini di richiesta di memoria e costi computazionali) con particelle prive di massa. In una seconda parte, una corrente di canale piano a Re_b=3173 è considerata con e senza forzamento trasversale (la pura parete oscillante e la pura onda spaziale stazionaria) per evidenziare il forte effetto del forzamento sulle traiettorie dei traccianti. Quantità statistiche (alcune delle quali sono introdotte appositamente per questo scopo) sono usate per descrivere tali differenze, ed è stata ottenuta prova evidente di diffusione delle particelle fortemente ridotta in un sottile strato vicino a parete. Lo spessore di questo strato è stato misurato e confrontato con lo spessore del Generalized Stokes Layer (GSL), noto per essere quantitativamente correlato con il valore di riduzione di resistenza. Le statistiche Lagrangiane promettono di essere la chiave per comprendere il meccanismo fisico con il quale il forzamento trasversale interagisce con la turbolenza vicino a parete per produrre livelli ridotti di resistenza di attrito.