Direct numerical simulation of a turbulent boundary layer under spatially varying pressure gradients
Konumsal olarak değişen basinç gradyanlari etkisindeki bir türbülanslı sinir tabakanın dogrudan sayısal benzetimi
- Tez No: 959227
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Türbülanslı sınır tabakalarının (TST), özellikle akış yönünde değişen basınç gradyanları gibi dengede olmayan koşullara maruz kaldığında kapsamlı bir şekilde anlaşılması, akışkanlar mekaniğinde önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Bu tür akışlar sadece akademik ilgi konusu olmakla kalmayıp, aynı zamanda havacılık ve kara taşıtlarının dış aerodinamiğinden turbo-makine bileşenleri, ısı değiştiricileri ve difüzörlerdeki iç akışlara kadar uzanan çok sayıda pratik mühendislik uygulamasında yaygın olarak karşılaşılan ve kritik bir rol oynayan olgulardır. BU TST'lerin dinamik davranışı, ortalama kayma gerilmesi, basınç kuvvetlerinin hızlandırıcı (uygun basınç gradyanı, UBG) veya yavaşlatıcı (ters basınç gradyanı, TBG) etkileri ve genellikle akışyukarısı akış geçmişinin kalıcı etkisi arasındaki etkileşimden önemli ölçüde etkilenir. Akış yönünde basıncın arttığı durumlar TBG olarak adlandırılır; bu koşullar altında sınır tabadaki akış, momentum kaybına uğrayarak yavaşlar. Bu yavaşlama, serbest akış ile sınır tabaka içerisindeki ortalama hız profili arasındaki farkın artmasıyla kendini gösterir. Ters basınç gradyanı etkisi altında gelişen türbülanslı akışlar, akım ayrılması gibi istenmeyen akış olaylarına neden olabilir. Bu da türbinlerde enerji kaybı veya hava araçlarında stall gibi önemli performans kayıplarına yol açabilir. Öte yandan, akış yönünde basıncın azaldığı, yani uygun basınç gradyanının söz konusu olduğu durumlar, sınır tabakanın yeniden hız kazanmasına katkıda bulunabilir. Bu koşullar altında, hız profili serbest akışa daha fazla yaklaşır. Uygun basınç gradyanının etkisiyle sınır tabaka daha stabil hale gelebilir ve akış ayrılmasının önüne geçilebilir. Ancak UBG'nin bu dengeleyici etkisi, sınır tabakanın daha önce maruz kaldığı ters basınç gradyanı koşullarının bıraktığı kalıcı izler nedeniyle sınırlı olabilir. Dolayısıyla TBG-UBG geçisi sırasında sınır tabaka dinamiklerinin detaylı bir şekilde incelenmesi, türbülansın hafızası ve akış organizasyonu üzerindeki etkilerinin anlaşılması açısından kritik önem taşır. Sıklıkla idealize edilmiş denge akışı varsayımlarına dayanılarak geliştirilen ve kalibre edilen geleneksel türbülans modelleri, bu dengede olmayan dinamiklerin ve değişen basınç gradyanlarının etkilerinin karmaşık fiziğini doğru bir şekilde yakalamakta çoğunlukla zorlanmaktadır. Bu tez, bu tür konumsal olarak değişen dengede olmayan koşullar altında gelişen TST'lerin derinlemesine anlaşılmasını hedeflemekte olup, özellikle bir TBG'yi takiben bir UBG bölgesine maruz kalan bir TST'ye odaklanmayı amaçlamaktadır. Temel hedefler, ortalama bir akış ve türbülans istatistiklerinin evrimini karakterize etmek, Reynolds kayma gerilmesi taşıyan uyumlu yapıların davranışını araştırmak ve yerel ortalama kayma gerilmesi, çeşitli şiddetlerdeki basınç gradyanları ve geçmiş etkilerinin bu yapıların özelliklerini ve organizasyonunu toplu olarak nasıl etkilediğini aydınlatmaktır. Bu amaçla, bir TBG'yi takiben bir UBG bölgesine maruz kalan bir TST'nin büyük ölçekli bir doğrudan sayısal benzetim (DSB) veritabanı kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Momentum kalınlığına dayalı Reynolds sayısının ($Re_\theta$) 13,000'e ulaştığı ve şekil faktörünün ($H$) yaklaşık 1.4 ile 2.8'i aşan bölgeler arasında değiştiği bu birincil veritabanı, sunulan araştırmaların ana temelini oluşturmaktadır. Doğrudan sayısal benzetim, karmaşık akış fiziğinin temelden anlaşılması için gerekli olan yüksek doğruluklu verileri sağlayarak, modelleme varsayımları olmaksızın tüm türbülans ölçeklerini çözebilen tek yöntem olması sebebiyle birincil araştırma aracı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem, akışın temelden anlaşılması ve türbülans modellerinin geliştirilmesi ve doğrulanması için kritik öneme sahip olan, duvara kadar uzanan oldukça hassas ve ayrıntılı verile sağlama konusunda benzersiz bir yetkinliğe sahiptir. Benzetimler, kurum içinde geliştirilen TBLDNS kodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kodun güçlü ölçeklenebilirliği, çeşitli yüksek başarımlı hesaplama sistemlerinde değerlendirilmiş ve 14336 çekirdeğe kadar verimli ölçeklenme gösterdiği, böylece bu tür zorlu benzetimler için yetkinliğinin doğrulandığı değerlendirilmiştir. Daha geniş bir bağlam sağlamak ve belirli fiziksel etkileri izole etmek amacıyla, literatürden kanonik sıfır basınç gradyanlı (SBG) TST ve homojen kayma türbülansı veritabanlarından elde edilen veriler de karşılaştırmalı amaçlar için kullanılmıştır. Bu karşılaştırmalar, birincil TBG/UBG TST'de mevcut olan daha karmaşık etkileşimlerden duvar yakınlığı, değilen basınç gradyanları ve saf kayma gerilmesinin etkilerini ayırt etmede, ayrıca küçük ve büyük hız azalmalı basınç gradyanlı bölgelerden elde edilen bulguları karşılaştırmada özellikle değerli olmuştur. Temel akış fiziğine yönelik araştırma, öncelikle bu karmaşık, dengede olmayan akışlarda sınır tabakası kenarının tanımlanmasındaki kritik konuyu ele almıştır. Sınır tabakası kalınlığının belirlenmesine yönelik dört farklı yöntemin karşılaştırmalı bir değerlendirmesi, yerel yeniden yapılandırma yönteminin, özellikle geleneksel yöntemlerin daha az güvenilir olduğu güçlü TBG bölgesinde olmak üzere, değişen basınç gradyanı koşulları boyunca en tutarlı ve fiziksel olarak sağlam sonuçlar verdiğini doğrulamıştır. Türbülans anizotropisinn evrimi daha sonra anizotropi değişmez haritaları ve barisentrik haritalar kullanılarak incelenmiştir. Bu analizler, türbülansın duvar yakınında iki bileşenli türbülansa yakın bir durumda ortaya çıkmasına rağmen, anizotropi haritası üzerindeki yörüngesinin, yerel basınç gradyanı ve akış geçmişi tarafından önemli bir ölçüde etkilendiğini ortaya koymuştur. Büyük hız azalmalı TBG bölgesinde, TBG'nin güçlü etkisini vurgulayan eksenel simetrik daralmaya doğru belirgin bir kayma gözlenmiştir. Ancak, sonraki UBG bölgesinde bile, türbülans durumu SBG özelliklerine tam olarak geri dönmemiş veya dış tabakada tam izotropiye ulaşamamıştır. Bunun yerine önceki TBG gelişiminden belirgin özellikler koruyarak, geçmiş etkilerinin kalıcı doğasını farklı hız azalması durumlarında da vurgulamıştır. Tezin ana odağı, hız alanları üzerinde çeyrek daire analizi kullanılarak tanımlanan, özellikle ejeksiyon (Q2 olayları) ve süpürme (Q4 olayları) olmak üzere Reynolds kayma gerilmesi taşıyan uyumlu yapıların ayrıntılı karakterizasyondu. Çalışma ilk olarak bu yapıların toplam Reynolds kayma gerilmesine katkılarını ölçmüş, duvara bağlı ve ayrık yapılar arasındaki dengenin yanı sıra diğer çeyrek daire olaylarının TBG ve UBG bölgeleri boyunca önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Örneğin, ayrık yapılar ve şaşırtıcı bir şekilde Q1 (dışa doğru etkileşim) ve Q3 (içe doğru etkileşim) olayları, güçlü TBG durumunun duvar yakınındaki bölgesinde artan bir önem kazanmış, bu da türbülans üretim mekanizmalarında önemli bir değişikliğe işaret etmiştir. Diğer yandan, UBG bölgesinde duvara bağlı yapılar sınır tabakasının daha büyük bir bölümünde baskın olma eğilimindeydi. Dış tabakadaki ($0.3 < y/\delta < 0.8$) duvardan ayrık Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapıların geometrik özellikleri daha sonra hem tam konumsal hem de zamansal-konumsal veriler kullanılarak analiz edilmiştir. Özellikle, bu yapıların karakteristik boyutu (yapıyı çevreleyen kutunun köşegeni, $d$) yerel Corrsin uzunluk ölçeği ($L_c$) ile normalize edildiğinde önemli bir eğilim gözlenmiştir. Birleşik Q2 ve Q4 yapıları için ortalama en-boy oranları (akış yönü-duvar normali, $a_{xy}$ ve duvar normali-uzunluğunca $a_{zy}$) incelenen tüm türbülanslı sınır tabakası bölgelerinde (küçük hız azalmalı TBG, büyük hız azalmalı TBG ve TBG geçmişli UBG) neredeyse aynı eğriler üzerinde birleşmiş ve homojen kayma türbülanslı akışlarında gözlenenlerle yakın bir uyum göstermiştir. Özellikle orta büyüklükteki yapılar için ($d/L_c$ yaklaşık 2 ile 10 arasında) bu güçlü uyum, $L_c$ tarafından etkili bir şekilde temsil edilen yerel ortalama kaymanın, basınç gradyanı koşulundan veya akış geçmişinden büyük ölçüde bağımsız olarak, bu Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapıların şeklini ve göreceli boyutlarını yöneten birincil faktör olduğunu göstermektedir. Duvar normali-uzunluğunca en-boy oranı ($a_{zy}$) tüm durumlarda hem Q2 hem Q4 yapıları için neredeyse aynı eğilimleri gösterirken, akış yönü-duvar normali en-boy oranında ($a_{xy}$), özellikle büyük hız azalmalı TBG bölgesinin zamansal-konumsal analizinde bazı ufak farklılıklar gözlenmiştir. Bu farklılıklar, güçlü yavaşlama koşulları altında Taylor'ın donmuş türbülans hipotezindeki uygulama sınırlamalara işaret ediyor olabilir. Son olarak, duvara paralel bir düzlem içindeki Q2 ve Q4 yapılarının konumsal organizasyonuna ilişkin araştırma, analiz edilen tüm akış bölgelerinde oldukça tutarlı sonuçlar vermiştir. Aynı tipteki yapılar (Q2-Q2 veya Q4-Q4) değişmez bir şekilde akışyukarısı-akışaşağı yönünde tercih edilen bir hizalanma gösterirken, farklı tipteki yapılar (Q2-Q4 veya Q4-Q2) ağırlıklı olarak tek taraflı bir çift konfigürasyonda yan yana dizilmiştir. Bu yapılar dış tabaka içindeki basınç gradyanından veya akış geçmişinden görünüşte bağımsız bir organizasyon göstermektedirler. Genel sonuç, basınç gradyanları ve akış geçmişinin ortalama akışı, hız azalmasını ve makroskopik türbülans istatistiklerini derinden değiştirmesine rağmen, dış tabadaki duvardan ayrık, Reynolds kayma gerilmesi taşıyan uyumlu yapıların temel geometrisinin, $L_c$ ile ölçeklendiğinde, farklı ters basınç gradyanı şiddetleri ve uyumlu basınç gradyanı etkisi altında evrensel özellikler sergilediğidir. Benzer şekilde, bu yapıların yerel konumsal organizasyonlarının da evrensel, yaygın olarak kayma kaynaklı mekanizmalar tarafından yöneetildiği görülmektedir. Farklı basınç gradyanı bölgelerinde gözlenen makroskopik türbülans istatistiklerindeki önemli değişikliklerin nedeni, muhtemelen bu basınç gradyanlarının bu temel uyumlu yapıların yoğunluğunu, ölçeğini ve yaygınlığını belirleyen ortalama kayma profilini değiştirmesinin bir sonucu olduğu düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
A comprehensive understanding of turbulent boundary layers (TBLs), particularly those subjected to non-equilibrium conditions such as varying streamwise pressure gradients, presents a significant challenge in fluid mechanics. Such flows are not only of academic interest but also commonly encountered, playing a critical role in numerous practical engineering applications, spanning from the external aerodynamics of aerospace and ground vehicles to internal flows within turbo-machinery components, heat exchangers, and diffusers. The dynamic behavior of these TBLs is significantly influenced by the interplay of mean shear, the accelerating (favorable pressure gradient, FPG) or decelerating (adverse pressure gradient, APG) effects of pressure forces, and often the persistent influence of upstream flow history. Conventional turbulence models, which are frequently developed and calibrated based on idealized equilibrium flow assumptions, often struggle to accurately capture the intricate physics of these non-equilibrium dynamics and the effects of such spatially varying pressure gradients. This thesis aims to deepen our understanding of TBLs developing under such spatially varying non-equilibrium conditions, specifically focusing on a TBL subjected to an APG followed by an FPG region. The core objective of this thesis is to elucidate how the interplay of local mean shear, varying pressure gradients, and flow history governs the behavior of Reynolds-shear-stress-carrying coherent structures, and thereby to characterize the evolution of the mean flow and turbulence statistics in this non-equilibrium TBL. For this purpose, a large-scale direct numerical simulation (DNS) database of a TBL subjected to an APG followed by a FPG region was thoroughly analyzed. This primary database, with $Re_\theta$ reaching up to 13,000 and shape factor ($H$) values spanning from approximately 1.4 (small-velocity defect) to regions exceeding 2.8 (large-velocity defect), serves as the main foundation for the investigations presented. DNS was employed as the primary research tool, being the only method capable of resolving the full range of turbulent scales without modeling assumptions, thus providing high-fidelity data essential for fundamental understanding of the complex flow physics. This method is uniquely capable of providing highly accurate and detailed data extending down to the wall, which is crucial for fundamental understanding of the flow and for the development and validation of turbulence models. The DNS was performed using the in-house TBLDNS code. Its strong scalability was evaluated on various high performance computer systems, demonstrating efficient scaling up to 14336 cores. To provide a broader context and to isolate specific physical effects, data from canonical zero-pressure-gradient (ZPG) TBLs and homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature were also employed for comparative purposes. These comparisons were particularly valuable for isolating the effects of wall-proximity, varying pressure gradients, and pure shear from the more complex interactions present in the primary APG/FPG TBL. % These flows are commonly encountered in numerous engineering applications, including aerospace vehicles to turbomachinery, and their complex dynamics are significantly affected by the interplay of mean shear, pressure gradients, and upstream flow history. Conventional turbulence models often struggle to accurately predict these non-equilibrium dynamics and pressure gradient effects. This thesis aims to deepen our understanding of turbulent boundary layers developing under spatially varying, non-equilibrium pressure gradients, specifically focusing on a TBL subjected to an adverse pressure gradient (APG) followed by a favorable pressure gradient (FPG) region, and the persistent influence of upstream flow history. The core objectives are to characterize the evolution of mean flow and turbulence statistics, to investigate the behavior of Reynolds-shear-stress carrying coherent structures, and to elucidate how local mean shear, pressure gradients, and history effects collectively govern their properties and organization. For this purpose, a large-scale direct numerical simulation (DNS) database of a TBL subjected to an APG followed by a FPG region was thoroughly analyzed. This primary database, with $Re_\theta$ reaching up to 13,000 serves as the main foundation for the investigations presented. For comparative purposes data from canonical zero-pressure-gradient (ZPG) TBLs and homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature were also employed to isolate the effects of wall, pressure gradients, and pure shear. The investigation into the fundamental flow physics first addressed the critical issue of defining the boundary layer edge in such complex non-equilibrium flows. A comparative evaluation of four distinct methods for determining the boundary layer thickness confirmed that the local reconstruction method provided the most consistent and physically robust results across the varying pressure gradient conditions, particularly in the strong APG region where traditional methods proved less reliable. The evolution of turbulence anisotropy was then examined using Anisotropy Invariant Maps (AIM) and Barycentric Maps. These analyses revealed that while turbulence originates near the wall in a state close two-component turbulence, its trajectory through the anisotropy map is significantly affected by the local pressure gradient and, importantly, by the upstream flow history. In the large-defect APG region, a pronounced shift towards axisymmetric contraction was observed, highlighting the strong influence of the APG. However, even in the subsequent FPG region, the turbulence state did not fully recover to ZPG characteristics or achieve full isotropy in the outer layer. Instead, it retained distinct features from its prior APG development, underscoring the persistent nature of history effects. The main focus of the thesis was the detailed characterization of Reynolds-shear-stress carrying coherent structures, specifically ejections (Q2 events) and sweeps (Q4 events), identified using quadrant analysis on velocity fields. The study first quantified their contributions to the total Reynolds shear stress, showing how the balance between attached and detached structures, as well as the relative contributions of different quadrant events, shifted significantly across the investigated APG and FPG regions. For instance, detached structures and, surprisingly, Q1 (outward interaction) and Q3 (inward interaction) events gained increased importance in the near-wall region of the strong APG case, indicating a significant alteration of turbulence production mechanisms. Conversely, in the FPG region, attached structures tended to dominate throughout a larger portion of the boundary layer. The geometric properties of detached Reynolds-shear-stress carrying structures in the outer layer ($0.3 < y/\delta < 0.8$) were then analyzed using both fully-spatial and spatio-temporal data. Notably, when the characteristic size of these structures, represented by the diagonal of their circumscribing box ($d$), was normalized by the local Corrsin length scale ($L_c$), a significant trend was observed. The average aspect ratios (streamwise-to-wall-normal, $a_{xy}$, and wall-normal-to-spanwise $a_{zy}$) for the combined Q2 and Q4 structures collapsed onto nearly universal curves across all turbulent boundary layer regions examined (APG with small defect, APG with large defect, and FPG with APG history), and also aligned closely with those observed in HST flows. This robust collapse, especially for structures of moderate size (with normalized diagonal sizes, $d/L_c$, approximately between 2 and 10), indicates that the local mean shear, effectively represented by $L_c$, is the primary factor governing the shape and relative dimensions of these Reynolds-shear-stress carrying structures, largely independent of the pressure gradient condition or its upstream flow history. While the wall-normal-to-spanwise aspect ratio ($a_{zy}$) exhibited almost identical trends for both Q2 and Q4 structures across all cases, some subtle differences were observed in the streamwise-to-wall-normal aspect ratio ($a_{xy}$), particularly in the spatio-temporal analysis of the large-defect APG region. These differences may point to limitations in the application of Taylor's frozen turbulence hypothesis under conditions of strong deceleration. Finally, the investigation into the spatial organization of Q2 and Q4 structures within a wall-parallel plane, yielded highly consistent results across all analyzed flow regions. Structures of the same type (Q2-Q2 or Q4-Q4) invariably showed a preferential alignment in the upstream-downstream direction, while structures of different types (Q2-Q4 or Q4-Q2) predominantly arranged themselves side-by-side in a one-sided pair configuration. The robustness of this organizational pattern, seemingly independent of the pressure gradient or flow history within the outer layer. The overall conclusion is that while pressure gradients and flow history profoundly alter the mean flow, velocity defect, and macroscopic turbulence statistics, the fundamental geometry of detached, shear-driven coherent structures in the outer layer, when scaled by Lc, exhibits universal characteristics across different APG strengths and FPG recovery stages. Similarly, their local spatial organization appears governed by universal shear-driven mechanisms. The significant changes in macroscopic turbulence statistics are likely a consequence of how pressure gradients modify the mean shear profile, which in turn dictates the intensity, scale, and prevalence of these fundamental coherent structures.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of laminar-to-turbulent transition in oscillatory boundary layers
Salinimli sinir tabakalarinda laminerden türbülansa geçişin sayisal olarak incelenmesi
SELMAN BAYSAL
Doktora
İngilizce
2025
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- Coherent structures and energy transfer in decelerated turbulent boundary layers
Yavaşlayan türbülanslı sınır tabaka akışlarında tutarlı yapılar ve enerji transferi
TAYGUN RECEP GÜNGÖR
Doktora
İngilizce
2023
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
PROF. DR. YVAN MACIEL
- A fast 3d flow field prediction around bluff bodies using deep learning
Derin öğrenme kullanılarak küt cisimler etrafındaki 3 boyutlu akış alanının tahmini
FARHAD NEMATI TAHER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDUSSAMET SUBAŞI
- Development of a lattice boltzmann based flow solver for large eddy simulation of turbulent flows
Türbülanslı akışların büyük girdap benzetimi için lattice boltzmann temelli akış çözücüsü geliştirilmesi
ALİHAN ATİLLA ÇINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Freezing fog microphysics and visibility over complex terrain based on cfact field campaign
Donan sis mikrofiziğinin ve görüş mesafesinin dağlik alanlarda cfact proje verileri kullanilarak analizi
ONUR DURMUŞ
Doktora
İngilizce
2025
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN ŞEN