The effect of texture-induced motions on near-wall turbulence over super-hydrophobic surfaces

The data from a direct numerical simulation (DNS) of a turbulent channel flow over super-hydrophobic (SH) surfaces have been post-processed, in order to investigate the impact of this texture on the skin friction coefficient. The SH surface used in this work is composed by both longitudinal slip and no-slip stripes, which are alternated between each other along the spanwise direction. Super-hydrophobic surfaces generate a large decrease in drag because they allow the fluid close to the wall to slip along the streamwise and spanwise directions. In addition, the presence of the surface texture induces the formation of a texture-coherent flow that affects the near-wall turbulence. In particular, it is observed that, despite drag reduction is achieved, this coherent field increases the turbulent activity close to the wall, which has a negative effect on the amount of obtained drag reduction. The coherent motions have been separated from the stochastic one through a triple decomposition of both the velocity and pressure fields. Successively, in order to quantify the impact of this negative contribution, the triple decomposed FIK identity has been used. Furthermore, to understand the modifications induced in near-wall turbulence, the budget equations for Reynolds stresses have been used. In addition, by using the triple decomposition and the budget equations for Reynolds stresses, it has been possible to observe how the energy moves from the coherent field to the stochastic one and vice-versa. An important result that has been discovered using the mentioned tools reports that the formation of texture-induced motions decreases the magnitude of the achieved drag reduction by increasing the wall shear stress. Furthermore, it is discovered that this negative effect is induced by an energy flow close to the wall that goes from the stochastic field to the coherent one.

I dati provenienti da una DNS condotta in un canale turbolento con superfici super-idrofobe sono stati trattati ed elaborati, in maniera tale da comprendere gli effetti introdotti da queste superfici sul coefficiente di attrito. La superficie idrofoba utilizzata all'interno di questo lavoro è composta da un alternarsi ,nella direzione dello span del canale, di strisce slip e no-slip, allineate con la direzione del flusso indisturbato. Le superfici idrofobe sono in grado di generare grandi riduzioni di attrito perché permettono al fluido che si muove sopra di esse di muoversi lungo la direzione longitudinale e lungo quella dello span del canale. In più, la presenza di un ordine nella struttura di queste superfici induce la formazione di un campo di moto coerente, il quale influenza la turboenza a parete. In particolare si è osservato che, nonostante si ottenga una diminuzione del coefficiente di attrito, il campo coerente induce un aumento dell'attività turbolenta a parete, la quale ha un effetto negativo sulla massima diminuzione di resistenza ottenibile. Questo campo coerente è stato separato da quello stocastico per mezzo di una tripla decomposizione dei campi di velocità e pressione. Successivamente, l'identità FIK è stata utilizzata per quantificare l'effetto negativo indotto dal campo coerente. Inoltre, le equazioni di bilancio per gli sforzi di Reynolds sono state utilizzate per capire cosa determina un'incremento della turbolenza vicino a parete. Infine, utilizzando le medesime equazioni di bilancio insieme alla tripla decomposizione, è stato possibile osservare come l'energia si trasmette dal campo coerente a quello stocastico e viceversa. Utilizzando tutti gli strumenti riportati, si è scoperto che la presenza di un campo coerente vicino a parete impatta negativamente la diminuzione massima di attrito ottenibile tramite un incremento dello sforzo di taglio vicino a parete. Inoltre, si è scoperto che questo effetto negativo è indotto da un flusso di energia a parete che va dal campo coerente verso quello stocastico.