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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-206189 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Beneitez, Miguel, Sundin, Johan |
| Publisher | KTH, Mekanik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0035 seconds