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Revisiting linear stability of the asymptotic suction boundary layer and plane Couette flow

Yalcin, Alparslan (2022)
Revisiting linear stability of the asymptotic suction boundary layer and plane Couette flow.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022530
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

One of the unsolved problems of fluid mechanics revolves around the prediction and description of large-scale turbulent structures, so-called turbulent superstructures, in various wall-bounded shear flows such as the asymptotic suction boundary layer (ASBL) or plane Couette flow (PCF). It is assumed that the origin of such superstructures is to be sought in the laminar-turbulent transition phenomenon. In the present dissertation, linear stability theory (LST) is therefore revisited for aforementioned ASBL and PCF with the goal of disclosing phenomena describing and influencing the formation of large-scale structures. In the context of the ASBL, the present understanding of linear stability is extended by investigating the analytical solution of the underlying Orr–Sommerfeld equation (OSE). One of the key results in the present work is the establishment of a clear interrelation between Reynolds number and streamwise wavelength of perturbations through asymptotic analyses, which demonstrably is of universal nature and, thus, applicable to any wall-bounded shear flow. Furthermore, continuous modes are derived and examined for the ASBL, where in the spatial stability problem one solution branch gives novel unstable continuous modes. A curiosity of PCF is that LST predicts linear stability exclusively, whereas experiments and numerical simulations provide evidence of laminar-turbulent transition leading to fully turbulent PCF. It is shown in this work that, in contrast to suction boundary layers, transpiration destabilizes PCF and above a minimal transpiration rate yields PCF linearly unstable. It is additionally demonstrated that in the infinite limit of the transpiration rate, PCF can be converted to the ASBL via specific parameter and coordinate transformations. The final part of this thesis revolves around the discovery of novel unstable three-dimensional (3D) spatial modes. An extension of Squire’s transformation to the spatial stability framework discloses the mathematical necessity of additionally introducing complex spanwise wave numbers and, thus, possible growth in the spanwise direction, which in previous research was neglected in view of Squire’s theorem. Thereof, it is demonstrated that these novel modes with oblique growth may lead to subcritical transition in potentially linearly unstable two-dimensional (2D) flows. Linearly stable 2D flows in turn experience growth of the perturbation velocity field in spanwise direction, which is reminiscent of large-scale laminar-turbulent patterns known from numerical simulations of transitioning PCF. Therefore, 3D PCF superposed by such oblique modes is studied in conclusion through a direct numerical simulation (DNS) with a spectral element solver.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2022
Autor(en): Yalcin, Alparslan
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Revisiting linear stability of the asymptotic suction boundary layer and plane Couette flow
Sprache: Englisch
Referenten: Oberlack, Prof. Dr. Martin ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Publikationsjahr: 2022
Ort: Darmstadt
Kollation: xxiv, 109 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 21 Juni 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022530
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22530
Kurzbeschreibung (Abstract):

One of the unsolved problems of fluid mechanics revolves around the prediction and description of large-scale turbulent structures, so-called turbulent superstructures, in various wall-bounded shear flows such as the asymptotic suction boundary layer (ASBL) or plane Couette flow (PCF). It is assumed that the origin of such superstructures is to be sought in the laminar-turbulent transition phenomenon. In the present dissertation, linear stability theory (LST) is therefore revisited for aforementioned ASBL and PCF with the goal of disclosing phenomena describing and influencing the formation of large-scale structures. In the context of the ASBL, the present understanding of linear stability is extended by investigating the analytical solution of the underlying Orr–Sommerfeld equation (OSE). One of the key results in the present work is the establishment of a clear interrelation between Reynolds number and streamwise wavelength of perturbations through asymptotic analyses, which demonstrably is of universal nature and, thus, applicable to any wall-bounded shear flow. Furthermore, continuous modes are derived and examined for the ASBL, where in the spatial stability problem one solution branch gives novel unstable continuous modes. A curiosity of PCF is that LST predicts linear stability exclusively, whereas experiments and numerical simulations provide evidence of laminar-turbulent transition leading to fully turbulent PCF. It is shown in this work that, in contrast to suction boundary layers, transpiration destabilizes PCF and above a minimal transpiration rate yields PCF linearly unstable. It is additionally demonstrated that in the infinite limit of the transpiration rate, PCF can be converted to the ASBL via specific parameter and coordinate transformations. The final part of this thesis revolves around the discovery of novel unstable three-dimensional (3D) spatial modes. An extension of Squire’s transformation to the spatial stability framework discloses the mathematical necessity of additionally introducing complex spanwise wave numbers and, thus, possible growth in the spanwise direction, which in previous research was neglected in view of Squire’s theorem. Thereof, it is demonstrated that these novel modes with oblique growth may lead to subcritical transition in potentially linearly unstable two-dimensional (2D) flows. Linearly stable 2D flows in turn experience growth of the perturbation velocity field in spanwise direction, which is reminiscent of large-scale laminar-turbulent patterns known from numerical simulations of transitioning PCF. Therefore, 3D PCF superposed by such oblique modes is studied in conclusion through a direct numerical simulation (DNS) with a spectral element solver.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Ein ungelöstes Problem der Strömungsmechanik dreht sich um die Vorhersage und Beschreibung von großskaligen turbulenten Strukturen, sogenannten turbulenten Superstrukturen, in verschiedenen wandgebundenen Scherströmungen wie der asymptotisch abgesaugten Grenzschichströmung (engl. asymptotic suction boundary layer (ASBL)) oder der ebenen Couette-Strömung (engl. plane Couette flow (PCF)). Vermutet wird, dass der Ursprung solcher Superstrukturen im laminar-turbulenten Umschlagsphänomen zu suchen ist. In der vorliegenden Dissertation wird infolgedessen die lineare Stabilitätstheorie (engl. linear stability theory (LST)) für die ASBL und PCF neu aufgegriffen mit dem Ziel, Phänomene ausfindig zu machen, welche die Entstehung großskaliger Strukturen bedingen und beeinflussen. Im Kontext der ASBL wird hierfür das gegenwärtige Verständnis der linearen Stabilität erweitert, indem die analytische Lösung der Orr-Sommerfeld Gleichung (engl. Orr–Sommerfeld equation (OSE)) eingehend untersucht wird. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung eines klaren Zusammenhangs zwischen Reynolds-Zahl und Störwellenlänge in Strömungsrichtung durch asymptotischen Analysen, welcher überdies nachweislich universeller Natur ist und daher auf beliebige wandgebundene Scherströmungen übertragen werden kann. Ferner werden kontinuierliche Moden für die ASBL hergeleitet und untersucht. Ein wesentliches Ergebnis besteht in der Existenz eines Lösungszweiges im räumlichen Stabilitätsproblem, durch welches neuartige instabile kontinuierliche Moden auftreten. Eine Besonderheit der PCF besteht darin, dass die LST ausschließlich lineare Stabilität vorhersagt, wohingegen Experimente und numerische Simulationen nachweisen, dass laminar-turbulenter Umschlag möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass, im Gegensatz zur ASBL, Transpiration einen destabilisierenden Effekt auf die PCF hat und schließlich zu linearer Instabilität für ausreichend große Transpirationsraten führt. Außerdem wird gezeigt, dass für unendlich große Transpirationsraten die ebene Couette-Strömung durch geeignete Koordinaten- und Parametertransformationen in die ASBL überführt werden kann. Im finalen Teil dieser Thesis wird die Entdeckung neuartiger 3D Moden mit schrägem Wachstum thematisiert. Eine Erweiterung der Squire-Transformation für das räumliche Stabilitätsproblem legt die mathematische Notwendigkeit offen, zusätzlich komplexe Spannweitenwellenzahlen einzuführen und damit das Wachstum von Störungen in Spannweitenrichtung zu ermöglichen, was in einschlägiger Literatur in Anbetracht des Squire-Theorems vernachlässigt wurde. Ein zentrales Ergebnis besteht darin, dass diese neuartigen Moden mit schrägen Wachstumsmechanismen zu subkritischem Umschlag von potentiell linear instabilen 2D-Strömungen führen können. Für linear stabile 2D-Strömungen hingegen ergibt sich, dass das entstehende Störgeschwindigkeitsfeld in Spannweitenrichtung anwächst, was Ähnlichkeiten zu großskaligen laminar-turbulenten schrägen Strukturen in umschlagender PCF aufweist, die aus einschlägigen numerischen Simulationen bekannt sind. Aus diesem Grund wird die 3D PCF überlagert mit derartigen schrägen Moden abschließend in einer direkten numerischen Simulation (engl. direct numerical simulation (DNS)), durchgeführt mit einem Spektralelementlöser, untersucht.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-225307
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy)
TU-Projekte: DFG|OB96/45-1|Asymptotisch abgesau
Hinterlegungsdatum: 20 Okt 2022 12:06
Letzte Änderung: 21 Okt 2022 05:38
PPN:
Referenten: Oberlack, Prof. Dr. Martin ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 21 Juni 2022
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