No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Many of the flows in nature are turbulent. To modify turbulent flows, nature serves itself with different types of coatings. Sharks have riblets-like structures on their skin, fishes have slime with polymers and the surface of the lotus flower has superhydrophobic properties. However many times these naturally occurring coatings also serve other purposes. Due to millions of years of adaption, there are anyway many reasons to be inspired by these. The present work is an investigation of nature inspired coatings with the aim of passive flow manipulations. The goal of the investigation has not been to achieve drag reduction, but to achieve a better understanding of the effect of these coatings on turbulent flows. Simulations have been performed in a channel flow configuration, where the boundary condition on one wall has been modified. A macroscopic description has been used to simulate superhydrophobic and porous-like surfaces and a microscopic description has been used to simulate suspended fibers, both rigid and flexible, attached to the channel wall. For the macroscopic description, a pseudo-spectral method was used and for the microscopic description a lattice-Boltzmann method was used. The superhydrophobic modification was implemented using a general slip tensor formulation. In agreement with earlier results, drag reduction was achieved with slip in the streamwise direction and slip in the spanwise direction resulted in drag increase. Non-zero off-diagonal terms in the slip tensor resulted in a slight drag increase, but with rather similar flow behaviour. Transpiration, imitating a porous media, gave rise to drag increase and severely modified the turbulent structures, forming two-dimensional structures elongated in the spanwise direction. For the short fibers, neither rigid nor flexible fibers modified the velocity field to a large extent. The fibers gave rise to recirculation regions and these were seen to be stronger below high-speed streaks. Flexible fibers showed similarities to porous media through a coupling of wallnormal velocity and pressure fluctuations, and this was not seen for the rigid fibers. The fiber deflections were seen to correlate well with the pressure fluctuations. / Många naturligt förekommande flöden är turbulenta. Naturen har också gett upphov till flera typer av ytskikt som kan påverka dessa. Hajars skinn har räfflor, fiskar har slem som innehåller polymerer och lotusblommans yta har superhydrofobiska egenskaper, men ofta har dessa naturliga ytskikt också andra egenskaper. På grund av miljoner år av anpassning så finns det ändå många skäl att studera dessa. Detta arbete är en studie av naturinspirerade ytskikt, där målet har varit passiva flödesmanipulationer. Målet har inte varit att åstadkomma en ytfriktionsminskning, utan att få en bättre förståelse om hur dessa ytskikt påverkar turbulenta flöden. Simuleringar har utförts i en kanalliknande geometri, där en kanalväggs randvillkor har modifierats. En makroskopisk beskrivning har använts för att simulera superhydrofobiska och porösa ytor och en mikroskopisk beskriving har använts för att simulera fibrer, både stela och böjbara, fastsatta på en kanalvägg. För flödet med det makroskopiskt beskrivna randvillkoret har en pseudospektral metod använts och för flödet med det mikroskopiskt beskrivna randvillkoret har en lattice-Boltzmannmetod använts. Den superhydrofobiska ytan implementerades genom en generell tensorformulering. Ett randvillkor med nollskild hastighet i kanalens riktning gav upphov till en ytfriktionsminskning och ett randvillkor med nollskild hastighet vinkelrät mot kanalens riktning gav upphov till en ökad ytfriktion, i överensstämmelse med tidigare resultat. Nollskilda icke-diagonala tensorelement gav upphov till en smärre ökning av ytfriktionen, utan att nämnvärt förändra flödet. De porösa ytorna gav upphov till en ytfriktionsökning och hade stor inverkan på de turbulenta strukturerna. Dessa ytor bildade tvådimensionella struturer vinkelrät mot kanalens riktning. Varken de stela eller de böjbara fibrerna gav upphov till stora ändringar i hastighetsfältet. Däremot uppstor cirkulationszoner och dessa var starkare under stråkstrukturer med hög hastighet. De böjbara fibrerna uppvisade likheter med porösa material genom en interaktion mellan det vertikala hastighetsfältet och de turbulenta tryckfluktuationerna. Denna interaktion uppstod inte för de stela fibrerna. Fibrernas böjning korrelerade också i stor utsträckning till tryckfluktuationerna.

A novel laminar flow control based on generation of spanwise mean velocity gradients (SVG) in a flat plate boundary layer is investigated where disturbances of different types are introduced in the wall-bounded shear layer. The experimental investigations are aimed at; (i) generating stable and steady streamwise streaks in the boundary layer which set up spanwise gradients in the mean flow, and (ii) attenuating disturbance energy growth in the streaky boundary layers and hence delaying the onset of turbulence transition. The streamwise streaks generated by four different methods are investigated, which are spanwise arrays of triangular/rectangular miniature vortex generators (MVGs) and roughness elements, non-linear pair of oblique waves, and spanwise-periodic finite discrete suction. For all the investigated methods the boundary layer is modulated into regions of high- and low speed streaks through formation of pairs of counter-rotating streamwise vortices. For the streaky boundary layers generated by the MVGs a parameter study on a wide range of MVG configurations is performed in order to investigate the transient growth of the streaks. A general scaling of the streak amplitudes is found based on empiricism where an integral amplitude definition is proposed for the streaks. The disturbances are introduced as single- and broad band frequency twodimensional Tollmien–Schlichting (TS) waves, and three-dimensional single and a pair of oblique waves. In an attempt to obtain a more realistic configuration compared to previous investigations the disturbances are introduced upstream of the location were streaks are generated. It is shown that the SVG method is efficient in attenuating the growth of disturbance amplitudes in the linear regime for a wide range of frequencies although the disturbances have an initial amplitude response to the generation of the streaks. The attenuation rate of the disturbance amplitude is found to be optimized for an integral streak amplitude of 30% of the free-stream velocity which takes into account the periodic wavelength of the streaky base flow. The stabilizing effect of the streamwise streaks can be extended to the nonlinear regime of disturbances which in turn results in transition to turbulence delay. This results in significant drag reduction when comparing the skin friction coefficient of a laminar- to a turbulent boundary layer. It is also shown that consecutive turbulence transition delay can be obtained by reinforcing the streaky boundary layer in the streamwise direction. For the streaky boundary layer generated by pair of oblique waves their forcing frequency sets the upper limit for the frequency of disturbances beyond which the control fails. / <p>QC 20160208</p>

Cette thèse décrit le développement d'actionneurs piézoélectriques miniaturisés pour le contrôle actif d'écoulement à haute vitesse. L'objectif est de retarder la transition laminaire turbulente par le contrôle actif des ondes de Tollmien-Schlichting par introduction d'ondes artificielles à phase inversée. Le premier concept étudié dans cette thèse est un actionneur amplifié mécaniquement avec une structure de type levier élastique situé au-dessus d'une céramique piézoélectrique. Les avantages de cet actionneur sont le contrôle direct, la fonction de transfert linéaire, et le temps de réponse très rapide, ce qui facilite l'intégration dans un système asservi. Le deuxième concept est basé sur l'utilisation d'une membrane conique actionnée par un anneau piézoélectrique dans un mode propre axisymétrique. La géométrie conique focalise les ondes générées par l'anneau piézoélectrique vers le centre ou les amplitudes sont le plus importantes. Pour le control des ondes de Tollmien-Schlichting, la modulation d'amplitude est appliquée pour atteindre une gamme de fréquence large ou la fréquence porteuse est délivrée par les modes propres. Cet actionneur à l'avantage d'utiliser une membrane robuste fermée et une intégration simple. L'effet des actionneurs sur l'écoulement a été mesuré avec des capteurs film chaud dans une soufflerie en boucle ouverte. Pour les dimensions des actionneurs adaptés sur l'écoulement, l'effet désiré pour le contrôle actif de la transition a été observé. Enfin, il a été démontré que la modulation d'amplitude est une alternative intéressante si la fréquence porteuse est sélectionnée de manière optimale pour qu'elle n'agisse pas sur l'écoulement (> 40kHz).

No description available.

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag. In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds. In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS. / Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning. Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet. I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft. I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

Deux stratégies de contrôle ont été successivement mises en œuvre pour réduire la traînée et l’énergie cinétique turbulente d’un canal plan en régime turbulent (Re[tau]=180) par soufflage/aspiration aux parois. L’objectif principal était de prouver qu’une simulation aux grandes échelles (LES) pouvait être utilisée de manière pertinente comme modèle réduit des équations de Navier-Stokes et ainsi diminuer fortement les coûts numériques. Une approche heuristique dite de contrôle par opposition a d’abord été employée. Les résultats montrent que l'efficacité énergétique est maximale pour une position du plan de détection différente de celle qui correspond au maximum de réduction de traînée. Par ailleurs, nos résultats confirment que la réduction de traînée diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Par la suite, une procédure de contrôle optimal a été utilisée en considérant différentes fonctionnelles objectif (traînée, énergie cinétique au temps terminal, énergie cinétique moyen). Pour Re[tau]=100, le contrôle est parvenu à relaminariser complètement l’écoulement (réduction de traînée de l'ordre de 50 %) en prenant comme fonctionnelle coût l’énergie cinétique au temps terminal. Pour cette même fonctionnelle coût, une réduction importante de traînée de l'ordre de 55 % est encore obtenue à Re[tau] =180 mais sans atteindre la relaminarisation. Nos résultats confirment que pour minimiser la traînée de l’écoulement, il est plus efficace de considérer comme objectif l’énergie cinétique que directement la traînée. Enfin, il est essentiel pour la convergence de la minimisation que le système optimal soit résolu sur un horizon temporel suffisamment long / Two control strategies were successively implemented to reduce the drag and the turbulent kinetic energy of a plane channel flow in turbulent regime (Re[tau]=180). Wall transpiration (unsteady blowing/suction) with zero net mass flux is used as the control. The main objective was to prove that a large eddy simulation (LES) could be relevant as a reduced-order model of the Navier-Stokes equations and thus strongly reduce the numerical costs. A heuristic approach known as opposition control was initially employed. The results show that the energetic efficiency is maximum for a position of the detection plane different from that which corresponds to the maximum of drag reduction. In addition, our results confirm that the drag reduction decreases with the increase of the Reynolds number. Then, an optimal control procedure was used by considering different cost functional (drag, terminal turbulent kinetic energy, mean turbulent kinetic energy). At Re[tau] =100, control managed to fully relaminarize the flow (drag reduction of about 50%) by considering as cost functional the terminal kinetic energy. For this same cost functional, an important drag reduction of about 55% is still obtained at Re[tau] =180 but without reaching the relaminarization. Our results show that to minimize the flow drag, it is more effective to consider the kinetic energy as cost functional than directly the drag. Lastly, it is essential for the convergence of the minimization that the optimality system is solved on a sufficiently long time horizon