Cette thèse vise à élargir nos connaissances sur les couches limites turbulentes (CLT) soumises à un gradient de pression adverse (CLT-GPA). Les points de mire de cette thèse sont les structures cohérentes et les mécanismes de transfert d'énergie dans les CLT-GPA avec de petits et grands déficits de vitesse. Pour faire cela, nous avons généré des bases de données de deux CLT-APG hors équilibre par simulation numérique directe. La première couche limite atteint un Re[indice θ] de 8000 et un paramètre de forme de 1.4 à 3.2. Il s'agit de la base de données principale utilisée tout au long de la thèse. La deuxième base de données a été obtenue avec le même domaine et les mêmes conditions limites que la première. La seule différence est que la turbulence est artificiellement éliminée de la région interne de la couche limite. Cette deuxième base de données est utilisée pour examiner l'effet de la région interne sur la turbulence dans la région externe. À des fins de comparaison, nous utilisons aussi des bases de données d'un écoulement de Poiseuille plan, de deux couches limites sans gradient de pression et de deux écoulements à cisaillement homogène. Les structures porteuses d'énergie et celles qui transfèrent l'énergie sont examinées à l'aide des distributions spectrales et des corrélations en deux points. L'analyse révèle que les structures porteuses d'énergie possèdent des caractéristiques spatiales et spectrales semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, contrairement aux écoulements précédents, la turbulence devient prédominante dans la région externe au lieu de la région interne. Le pic interne du spectre de (⟨u²⟩) n'existe pas dans le cas à grand déficit de vitesse. De plus, les corrélations en deux points montrent que l'organisation spatiale a aussi changé. En ce qui concerne les structures qui transfèrent l'énergie, les structures associées à la production, la pression-déformation et la dissipation se comportent comme les structures porteuses d'énergie. Les distributions spectrales de ces mécanismes sont semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, les distributions de production et pression-déformation dans la direction normale à la paroi changent parce que la région externe devient dominante. Cependant, les spectres 2D et le rapport de forme des structures sont semblables dans tous les cas. Les structures de production et de pression-déformation sont analysées plus en détail en utilisant leur taille relative et leur position dans la direction normale à la paroi, comme révélé par les distributions spectrales. Les résultats montrent que les spectres de production et pression-déformation ont des caractéristiques semblables dans chaque région (interne et externe) peu importe le déficit de vitesse. Dans la région interne, les résultats suggèrent que le cycle de régénération de la turbulence de proche paroi, ou un autre mécanisme possédant les mêmes caractéristiques spectrales, existe dans les CLT-GPA à grand déficit de vitesse. En ce qui concerne la région externe, la CLT-GPA à grand déficit de vitesse se comporte davantage comme une couche cisaillée libre que les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Mais aucune instabilité de type point d'inflexion n'a été détectée. L'effet de la turbulence de la région interne sur les structures de la région externe est examiné par l'intermédiaire des caractéristiques spatiales des structures porteuses de cisaillement turbulent à l'aide de données volumétriques spatio-temporelles. Les résultats montrent que la région externe n'est pas significativement affectée par la turbulence de la région interne. Les caractéristiques spatiales des structures dépendent principalement du cisaillement moyen. De plus, le rapport de forme des structures évolue de la même façon dans les deux régions externes de CLT-GPA (originale et modifiée) et dans l'écoulement à cisaillement homogène lorsque la taille des structures est normalisée avec l'échelle de longueur de Corrsin. La conclusion générale est que les mécanismes de transfert d'énergie turbulente restent les mêmes dans une région indépendamment du déficit de vitesse. La raison pour laquelle les distributions d'énergie et du transfert d'énergie varient dans la CLT-GPA à grand déficit de vitesse est probablement le changement du profil de cisaillement moyen dû au déficit de vitesse croissant. / This thesis aims to expand our knowledge about turbulent boundary layers (TBLs) developing under adverse pressure gradients (APG). The main focus of this thesis is coherent structures and energy transfer mechanisms in APG TBLs with small and large velocity defects. For this, two novel non-equilibrium APG TBL direct numerical simulation databases are generated. The first database is a non-equilibrium APG TBL with Re[subscript θ] reaching 8000 and a shape factor spanning between approximately 1.4 and 3.2. It is the main database utilized throughout the thesis. The second database has identical domain and boundary conditions to the first one. The difference between them is that turbulence in the inner layer of the second database is artificially eliminated. This second database is generated to examine the effect of the inner layer on the outer layer turbulence. For comparison purposes, a channel flow case, two zero pressure gradient (ZPG) TBLs and two homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature are employed. The energy-carrying and -transferring structures are examined using the spectral distributions and two-point correlations. The analysis reveals that energy-carrying structures in small defect APG TBLs and canonical flows have similar spatial and spectral features. In the large defect case, turbulence in the inner layer, which is the dominant region in canonical flows and small defect APG TBLs, loses its importance and outer-layer turbulence becomes dominant. The inner peak in the ⟨u²⟩ spectra does not exist in the large-defect case. Moreover, two-point correlations show that the spatial organization becomes different in the large-defect case as well. Regarding the energy-transferring structures, production, pressure-strain and dissipation structures behave in a similar fashion to the energy-carrying structures. The spectral distributions show that the canonical flows and small defect APG TBLs behave very similarly. The shape of the spectra is qualitatively similar in both cases. In the large defect case, the wall-normal distributions of production and pressure-strain become different since the outer layer becomes dominant. However, the shape of 2D spectra and the aspect ratio of structures are alike in all cases. The production and pressure-strain structures are analyzed in more detail using the relative size and wall-normal positions with respect to each other and energetic structures using spectral distributions. The results show that production and pressure-strain spectra have similar features in both the inner and outer layers regardless of the velocity defect, despite the differences in energetic structures. In the inner layer, the results suggest that the near-wall cycle or another mechanism with similar spectral features exists in large defect APG. As for the outer layer, an interesting result is that in large-defect APG TBLs it acts more like a free shear layer than in small-defect APG TBLs or canonical flows. Besides that, production and inter-component energy transfer mechanisms are similar in all cases regardless of velocity defect. No inflection point instability in the outer layer of the large-defect APG TBLs was detected. The effect of the near-wall region on the outer-layer layer structures is examined through Reynolds-shear-stress carrying structures' spatial features by detecting individual structures using spatio-temporal volumetric data. The results show that the outer layer is not significantly affected by the inner-layer turbulent activity. The structures' spatial features mostly depend on the mean shear. The aspect ratio of Reynolds-shear-stress carrying structures remains almost identical in the outer layer when the inner-layer turbulence is eliminated. Moreover, the aspect ratio follows a similar trend in both outer layers of APG TBLs and HSTs when the structures' size is normalized with the Corrsin length scale. The overall conclusion is that energy transfer mechanisms remain the same within one layer regardless of the velocity defect. The reason why the wall-normal distribution of energy and energy transfer dramatically changes in the large defect case is probably the change in the mean shear profile due to the increasing velocity defect.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/113083 |
| Date | 18 September 2023 |
| Creators | Güngör, Taygun R. |
| Contributors | Güngör, Ayşe Gül, Maciel, Yvan |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxi, 131 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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