DNS of a turbulent channel flow with partial slip

A turbulent flow in a channel is analysed with a primary objective to reduce the skin friction drag using spatial modulation of partial slip. This spatial modulation is expected to produce spanwise forcing and suppress turbulence similar to the active control methods such as the oscillating wall techniques and travelling waves, while overcoming the energy challenges associated with active control. However, the lack of exposure in such partial slip cases requires one to delve into cases with abundunt literature that can shed light on the drag reduction phenomenon. The study aims to do that using slip conditions. In order to simulate the flow, Direct Numerical Simulations (DNS) with a pseudo-spectral approach has been employed. Simulations have been carried out with data similar to rel- evant literature for an accurate comparison. Furthermore, slip cases are compared with the no slip counterpart to quantify drag reduction and characterize statistics. To ensure the accuracy, the no slip reference cases are validated with the relevant literature. It is observed that the presence of streamwise slip conditions create low Reynolds number effects, and reduces the skin-friction drag. The reduction in drag is corroborated by a two fold procedure. Furthermore, the introduction of slip velocity is observed to modify the turbulence dynamics particularly, by lowering the production activity near the wall. Although the general behaviour of statistics is coherent with the knowledge of turbulent channel flow, some specific deviating trends signal the need to increase the sample size. Some insights are provided on modifying the geometry further to attain spanwise forcing and possibly drag reduction.

Un flusso turbolento in un canale è analizzato con l’obiettivo principale di ridurre la re- sistenza al taglio della pelle mediante la modulazione spaziale dello scivolamento parziale. Ci si aspetta che questa modulazione spaziale produca forze spanwise e sopprima la turbolenza in modo simile alle tecniche di controllo attivo, come le tecniche di parete oscillante e le onde viaggianti. Una tale strategia supera gli inconvenienti energetici del controllo attivo. Tuttavia, la mancanza di esposizione in tali casi di scivolamento parziale richiede di approfondire casi con una letteratura abbondante che possa fare luce sul fenomeno di riduzione della resistenza. Lo studio mira a farlo utilizzando le condizioni di scivolamento. Per simulare il flusso, sono stati impiegati Simulazioni Numeriche Di- rette (DNS) con un approccio pseudospettrale. Le simulazioni sono state condotte con dati simili alla letteratura pertinente per un confronto accurato. Inoltre, i casi di scivola- mento sono confrontati con il controparte senza scivolamento per quantificare la riduzione della resistenza e caratterizzare le statistiche. Per garantire l’accuratezza, i casi di riferi- mento senza scivolamento sono convalidati con la letteratura pertinente. Si osserva che la presenza di condizioni di scivolamento lungo la direzione del flusso crea effetti a basso nu- mero di Reynolds e riduce la resistenza al taglio della pelle. La riduzione della resistenza al taglio è corroborata da una procedura a due fasi. Inoltre, si osserva che l’introduzione della velocità di scivolamento modifica la dinamica della turbolenza, in particolare ab- bassando l’attività di produzione vicino alla parete. Sebbene il comportamento generale delle statistiche sia coerente con la conoscenza del flusso turbolento in canale, alcune ten- denze specifiche devianti segnalano la necessità di aumentare la dimensione del campione. Alcune intuizioni sono fornite sulla modifica ulteriore della geometria per ottenere forze spanwise e possibilmente una riduzione della resistenza.