Effect of the forcing term in the direct numerical simulation of turbulent channel flow

The present work studies the influence of the forcing strategy, constant flow rate (CFR) and constant pressure gradient (CPG), in direct numerical sim- ulation (DNS) of a turbulent channel flow. The choice of the forcing strategy is known to be of no consequences on one- point one-time statistics, at least if one considers a fully developed turbulent flow in large computational domains. In practice, however, the computational box is always finite, fluctuations of the forcing term become more significant with smaller box sizes, and may affect the flow dynamics and its statistics. The problem is here investigated via DNS of a turbulent plane channel flow in a Minimal Flow Unit (MFU), which emphasises possible consequences of the choice of the driving strategy, in order to bring to light an indirect dynamical effect of the different temporal fluctuations of the forcing term on near-wall turbulence. Due to high statistical error unavoidably affecting the results, no firm conclusions can be made when the problem is analyzed at a Reynolds number close to Re = 5772 (known to be the limit value for linear stability), even if a different trend in the growth of the friction coefficient appears. On the other hand, studying a sudden reduction of the Reynolds number in a subcritical regime, and investigating the transition process, those turbulent flow fields obtained with CPG strategy are characterized by a lower probability to become laminar with respect to those obtained CFR.

Il presente lavoro investiga l’influenza della strategia di forzamento, portata costante (CFR) e gradiente di pressione costante (CPG), nella simulazione numerica diretta (DNS) del flusso in un canale turbolento. La scelta della strategia di forzamento è nota per non avere conseguenze di alcun tipo sulle statistiche valutate per un fissato istante di tempo in un punto dello spazio, fintanto che si consideri un flusso in canale turbolento completamente sviluppato e in un dominio computazionale infinitamente grande. Tuttavia, in applicazioni reali il dominio computazionale avrà sempre dimensione finita, e le fluttuazioni del termine forzante divengono tanto più significative quanto più tali dimensioni vengono ridotte, con possibili conseguenze sulla dinamica del flusso e sulle sue statistiche. Tale problema è qui investigato mediante la DNS del flusso in un canale piano turbolento le cui dimensioni sono quelle dell’ Unità Minima di Flusso (MFU), che enfatizza possibili conseguenze relative alla scelta della strategia di forzamento, allo scopo di portare alla luce un effetto dinamico indiretto delle differenti fluttuazioni temporali del termine di forzante nella turbolenza di parete. A causa dell’ elevato errore statistico che affligge i risultati, risulta difficile interpretare correttamente quest’ultimi e trarre conclusioni certe quando il problema ́e analizzato ad un numero di Reynolds prossimo a Re = 5772 (valore noto per essere il limite di stabilità lineare del flusso nel canale piano turbolento), anche se traspare un differente andamento nella crescita del coefficiente di attrito. D’altra parte, studiando un’improvvisa riduzione del numero di Reynolds in un regime di trubolenza subcritica, e analizzando il processo di transizione, i campi di flusso turbolenti ottenuti attraverso la strategia CPG sono caratterizzati da una probabilità di decadere in un regime laminare più bassa rispetto a quelli ottenuti attraverso la strategia CFR.