Eulerian-Lagrangian analysis of turbulent channel flow with drag reduction

We investigate the physical mechanism underlying spanwise forcing for turbulent drag reduction using a combined Eulerian-Lagrangian analysis. The study is based on direct numerical simulations of turbulent channel flow at a base- line friction Reynolds number of Reτ ≈ 200. When effective, the control suppresses vertical diffusion, causing fluid tracers introduced near the wall to remain confined close to it for extended periods. This behavior is accompanied by a modification of the local structure of the flow, with two-dimensional states of strain becoming sig- nificantly more prevalent in the near-wall region compared to the uncontrolled case. Building on these findings, we provide the first direct evidence of shear sheltering as a central mechanism behind spanwise forcing in the turbulent regime, extending the interpretation previously proposed by Hack and Zaki (2012) for laminar flows. The use of Lagrangian statistics provide new insights offering a complementary perspective to traditional Eulerian analyses.

In questa tesi si analizza il meccanismo fisico alla base dello spanwise forcing per la riduzione della resistenza in regime turbolento, mediante un’analisi combinata Euleriana-Lagrangiana. Lo studio si basa su simulazioni numeriche dirette di un flusso turbolento di canale, condotte a un numero di Reynolds viscoso Reτ ≈ 200 per il flusso di riferimento. Quando efficace, il controllo sopprime la diffusione verticale, facendo sì che traccianti Lagrangiani introdotti vicino alla parete rimangano confinati in prossimità di essa per tempi prolungati. Questo comportamento è accompagnato da una modifica della struttura locale del flusso, con un aumento significativo della prevalenza di stati di deformazione bidimensionali nella regione prossima alla parete rispetto al caso non controllato. Sulla base di questi risultati, forniamo la prima evidenza diretta del fenomeno di shear sheltering come meccanismo centrale alla base dello spanwise forcing in regime turbolento, estendendo l’interpretazione proposta da Hack e Zaki (2012) per flussi laminari. L’uso di statistiche lagrangiane consente nuove osservazioni, offrendo una prospettiva complementare rispetto alle tradizionali analisi euleriane.