Spanwise forcing without walls

The reduction of skin friction drag in turbulent flows has constituted a significant field of research over the past few decades. Spanwise forcing represents one of the most extensively studied techniques for the reduction of turbulent drag. Even though the performance of such technique has been widely studied and verified, the underlying working principle remains unclear. The prevailing hypothesis is that the reduction in skin friction is a consequence of the interaction between the Stokes layer, i.e. the unsteady spanwise velocity profile created by wall oscillations, and the turbulent motions in the vicinity of the wall. The issue, however, is that in the near wall regions, turbulence is significantly influenced by the presence of the wall itself, which makes it challenging to isolate the impact of wall oscillations on the turbulent structures. The present work proposes that this obstacle may be overcome by removing the wall effect entirely. To achieve this, spanwise forcing is not applied in a canonical wall bounded flow, but in homogeneous shear turbulence instead. Numerical computations at different forcing periods (while maintaining amplitude and thickness fixed) are performed. Results show similarities with the conventional wall bounded flow performance of spanwise forcing. In particular, an optimum forcing period may be found, corresponding to specific turbulent time scales, i.e. the eddy overturn time. The influence on several statistical quantities, commonly used to describe the behavior of turbulent flows (e.g., Reynolds stresses, velocity spectra and budget equations), is studied. The objective is to establish whether this unconventional numerical configuration may offer insights into the physics of spanwise forcing.

La riduzione della resistenza viscosa nei flussi turbolenti ha costituito un importante campo di ricerca negli ultimi decenni. La parete oscillante rappresenta una delle tecniche più studiate per la riduzione della resistenza. Anche se le prestazioni di questa tecnica sono state ampiamente studiate e verificate, il principio di funzionamento sottostante rimane poco chiaro. L'ipotesi prevalente è che la riduzione dell'attrito sia una conseguenza dell'interazione tra lo strato di Stokes, cioè il profilo instazionario di velocità laterale creato dalle oscillazioni della parete, e i moti turbolenti in prossimità della parete. Il problema, tuttavia, è che nelle regioni vicine alla parete, la turbolenza è significativamente influenzata dalla presenza della parete stessa, il che rende difficile isolare l'impatto delle oscillazioni della parete sulle strutture turbolente. Il presente lavoro propone di superare questo ostacolo eliminando completamente l'effetto parete. A tal fine, il forzamento non viene applicato in un flusso canonico delimitato da pareti (ad esempio, il canale piano), ma in homogeneous shear turbulence. Vengono eseguite simulazioni DNS a diversi periodi di forzamento (mantenendo fissi ampiezza e spessore). I risultati mostrano analogie con le prestazioni della parete oscillante in correnti convenzionali. In particolare, è possibile individuare un periodo di forzatura ottimale, corrispondente a specifiche scale temporali turbolente, ovvero il eddy overturn time. Viene studiata l'influenza su diverse quantità statistiche, comunemente utilizzate per descrivere il comportamento dei flussi turbolenti (ad esempio, gli sforzi di Reynolds, gli spettri di velocità e le equazioni di bilancio degli sforzi). L'obiettivo è stabilire se questa configurazione numerica non convenzionale possa offrire spunti di riflessione sulla fisica della parete oscillante.