DNS study of turbulent drag reduction via DBD plasma actuators

This work studies by direct numerical simulations (DNS) the skin-friction drag reduction obtained in a turbulent channel flow by steady spanwise forcing realized via standing waves. While the effectiveness of the forcing intended as a boundary condition for the DNS solver has been already proved by several past studies, the aim of the present work is to focus on the (detrimental) effects introduced by the unavoidable presence of a number of discrete Dielectric Barrier Discharge plasma actuators. Hence the DR technique is gradually modified to better describe the field of body forces realistically produced by suitable actuators. The spanwise-discrete nature of the actuators is modeled at increasing level of complexity: discrete spanwise velocity boundary conditions, the Suzen-Huang model for the body force and electro-hydro-dynamics plasma simulations. The effects of discretization are addressed by performing about ten DNS simulations for each of the three cases, where the actuator spacing is varied. The results indicate that drag reduction can still be achieved after spanwise discretization is accounted for.

Questo lavoro studia, tramite simulazioni numeriche dirette (DNS), la riduzione di resistenza di attrito viscoso ottenuta in un flusso di canale turbolento per mezzo di un forzamento trasversale costante e realizzato mediante onde stazionarie. Mentre l'efficacia del forzamento, inteso come condizioni al contorno per il solutore DNS, è stata già verificata da diversi studi precedenti, lo scopo di questo studio è di concentrarsi sugli effetti (negativi) introdotti dall'inevitabile presenza di un numero discreto di attuatori al plasma con scarica a barriera di dielettrico. Di conseguenza, la tecnica di DR è progressivamente modificata per descrivere meglio il campo di forze di volume realisticamente prodotte dagli appositi attuatori. La natura discreta, in direzione trasversale, degli attuatori è modellata ad un livello di complessità crescente: condizioni al contorno discrete di velocità trasversale, modello di Suzen-Huang per le forze di volume e simulazioni elettro-idro-dinamiche del plasma. Gli effetti della discretizzazione sono analizzati eseguendo circa dieci simulazioni DNS per ognuno dei tre casi, facendo variare la distanza tra gli attuatori. I risultati indicano che è comunque possibile ottenere riduzione di attrito dopo che è stata introdotta la discrezione trasversale.