Spanwise forcing for turbulent heat transfer enhancement

The aim of this thesis is to explore the beneficial effect of open-loop active flow control in the form of spanwise forcing on the enhancement of heat transfer in turbulent flows. They are known to increase several flow properties, such as momentum mixing and heat transfer. The Reynolds analogy establishes a tight relation between these two phenomena, both from the quantitative and phenomenologic point of view. Wall oscillations have shown themselves to be promising in the matter of drag reduction, while heat transfer enhancement has received little to no attention, hence the research motivation for this work. Spanwise forcing, both articulated as uniform wall oscillations and streamwise travelling waves proves to be beneficial for heat transfer, acting on the coherent thermal structures and modifying their near-wall behaviour in the same fashion as what happens for the velocity field. Large period and amplitude oscillations produce moderate dissimilarity between heat transfer and friction drag, with the former increasing more that the latter. Further insight on friction assessment at high oscillation periods sheds light on the importance of the spanwise component of shear stress which, despite possessing null average, heavily impacts power input, the ultimate target of active flow control techniques. Roughly an increase of a factor two on friction is observed, with an according increase of the friction Reynolds number.

Obiettivo di questa tesi è investigare l'effetto benefico di tecniche di controllo attivo tramite forzamento trasversale sullo scambio termico in regime turbolento. Tale regime, come è noto, modifica diverse proprietà fondamentali dei flussi, come il trasporto di quantità di moto e lo scambio termico. L'analogia di Reynolds stabilisce una stretta relazione tra questi due fenomeni, sia dal punto di vista quantitativo che fenomenologico. Il forzamento trasversale si è mostrato promettente in termini di riduzione di resistenza, mentre l'aumento di scambio termico ha ricevuto molta meno attenzione in tale contesto; da qui l'interesse di ricerca che ha guidato questo lavoro di tesi. Simulazioni numeriche dirette di un canale piano turbolento con scalare passivo mostrano l'efficacia della tecnica di controllo, declinata sia in termini di oscillazioni uniformi che di onde viaggianti in direzione longitudinale, sullo scambio termico. Il controllo infatti agisce sulle strutture coerenti del campo di temperatura, modificandone il comportamento vicino a parte in maniera simile a quanto accade per il campo di velocità. A grandi periodi ed ampiezze di oscillazione si osserva dissimilarità tra scambio termico e resistenza d'attrito, con il primo che aumenta più della seconda. Tuttavia, uno sguardo più attento alla valutazione dell'attrito a tali periodi di oscillazione mostra l'importanza della componente trasversale del vettore sforzo di taglio che, nonostante abbia media nulla, impatta pesantemente la potenza in ingresso, l'indicatore ultimo da monitorare nel contesto del controllo attivo. Viene osservato un incremento di circa un fattore due sul coefficiente di attrito, che si riflette in un equivalente aumento del numero di Reynolds legato all'attrito.