Wake behind a discontinuous cylinder: Unveiling the role of the large scales in wake growth and entrainment

Abstract

Un estudi de la literatura existent indica que hi ha una manca d'acord pel que fa al mecanisme d'arrossegament en la interfície turbulent/no-turbulent (TNTI) en fluxos lliures, amb diversos estudis que troben diferències en la importància relativa dels mecanismes de mordisqueig i d'embolic. Això suggereix una dependència significativa del flux i que controlant el desenvolupament d'estructures a gran escala, es pot controlar fins a quin punt cadascun d'aquests mecanismes contribueix a la taxa d'arrossegament global. La hipòtesi que motiva aquest estudi és que la millora dels vòrtexs alineats amb la cisalla mitjana augmentarà la taxa d'arrossegament en funció de les observacions de l'estructura del flux i l'arrossegament a les regions autopreservades de les esteles llunyanes. Vam provar aquesta hipòtesi amb la configuració del cilindre discontinu (DC), que consta de segments de cilindre de 5D de llarg (amb D és el diàmetre del cilindre) separats per buits d'amplada de 2,5D. Es van utilitzar mesures de Velocimetria d'imatge de partícules (PIV) i Anemometria de fil calent (HWA) per analitzar el flux a dos nombres de Reynolds, Re = 4.000 i 10.000, per a x/D<180. També es van realitzar grans simulacions de remolí (LES) tant per a les esteles de CC com per a les esteles de cilindre continu infinit (CC) a Re=10.000. La configuració de DC es va idear per desencadenar l'eliminació de vòrtexs de ferradura (HSV) a la regió molt propera de l'estela amb la intenció d'il·lustrar el paper que aquests HSV tridimensionals, identificats prèviament a la regió llunyana de CC, tenen en el procés d'enrotllament. en estels turbulents. Es va trobar que l'estela de CC creixia i s'estenia en la direcció transversal amb una velocitat molt més ràpida que la de l'estela CC, fins a uns x/D≈50. Abans d'aquesta ubicació, la velocitat de creixement millorada causada pel LED HSV alineat amb cisalla. a una amplada d'estela d'unes 3 vegades la de l'estela CC, amb un dèficit màxim de velocitat mitjana que era aproximadament la meitat.

Un estudio de la literatura existente indica que existe una falta de acuerdo con respecto al mecanismo de arrastre en la interfaz turbulenta/no-turbulenta (TNTI) en flujos libres, con varios estudios que encuentran diferencias en la importancia relativa de los mecanismos de nibbling y engulfment. Esto sugiere una dependencia significativa del flujo y que al controlar el desarrollo de estructuras a gran escala, se puede controlar la medida en que cada uno de estos mecanismos contribuye a la tasa de arrastre general. La hipótesis que motiva este estudio es que los vórtices mejorados que están alineados con la cizalladura media aumentarán la tasa de arrastre según las observaciones de la estructura del flujo y el arrastre en las regiones de autoconservación de las estelas lejanas. Probamos esta hipótesis con la configuración de cilindro discontinuo (DC), que consta de segmentos de cilindro de 5D de largo (siendo D el diámetro del cilindro) separados por espacios de 2,5D de ancho. Se utilizaron medidas de velocimetría de imagen de partículas (PIV) y anemometría de hilo caliente (HWA) para analizar el flujo en dos números de Reynolds, Re=4000 y 10000, para x/D<180. También se llevaron a cabo simulaciones de remolinos grandes (LES) para las estelas de CC y de cilindro continuo infinito (CC) a Re=10.000. La configuración de DC se diseñó para desencadenar el desprendimiento de vórtices de herradura (HSV) en la región de estela muy cercana con la intención de ilustrar el papel que estos HSV tridimensionales, previamente identificados en la región de estela lejana de CC, juegan en el proceso de arrastre. en estelas turbulentas. Se descubrió que la estela de CC crece y se propaga en la dirección transversal con una tasa mucho más rápida que la de CC, hasta aproximadamente x/D ≈ 50. Antes de esta ubicación, la tasa de crecimiento mejorada causada por el HSV alineado con cizalla llevó a un ancho de estela de aproximadamente 3 veces el de la estela CC, con un déficit de velocidad promedio máximo de aproximadamente la mitad.

A study of the existing literature indicates that there is a lack of agreement regarding the mechanism of entrainment in turbulent/non-turbulent interface (TNTI) in free flows, with various studies finding differences in the relative importance of the nibbling and engulfment mechanisms. This suggests a significant flow dependence and that by controlling the development of large-scale structures, one can control the extent to which each of these mechanisms contribute to the overall entrainment rate. The hypothesis motivating this study is that enhancing vortices that are aligned with the mean shear will increase the rate of entrainment based on observations of flow structure and entrainment in the self-preserving regions of far wakes. We tested this hypothesis with the discontinuous cylinder (DC) configuration, consists of cylinder segments 5D long (with D being the diameter of the cylinder) separated by gaps of width 2.5D. Particle Image Velocimetry (PIV) and Hot-Wire Anemometry (HWA) measurements were used to analyze the flow at two Reynolds numbers, Re=4,000 and 10,000, for x/D<180. Large eddy simulations (LES) for both the DC and the infinite continuous cylinder (CC) wakes were also carried out at Re=10,000. The DC configuration was devised to trigger the shedding of horseshoe vortices (HSV) in the very near wake region with the intent of illustrating the role that these three–dimensional HSVs, previously identified in the far wake region of CC, play in the entrainment process in turbulent wakes. The DC wake was found to grow and spread in the transverse direction with a much faster rate than for the CC wake, up until about x/D ≈ 50. Prior to this location, the enhanced growth rate caused by the shear-aligned HSV led to a wake width of about 3 times that of the CC wake, with a maximum mean velocity deficit that was about half.