Fenomeni multiscala in strati limite turbolenti

Wall-turbulent flows are of great interest for both industrial and environmental applications. Their dynamics are governed by the combined role of inner and outer self-sustaining mechanisms involving different scale motions. The near-wall region is the site of a high rate of turbulent energy production, and its dynamics are governed by motions scaling in inner units. On the other hand, for high Reynolds numbers, the outer overlap layer is thought to become relevant, being the site of self-sustaining mechanisms of large flow structures following mixed inner/outer scaling. The complex interactions involved, which determine the overall momentum transfer, are not yet fully understood, and their understanding underpins the development of more reliable turbulence models and new control strategies. In wall-turbulent flows, the strong inhomogeneity and anisotropy imposed by the presence of the wall deeply modify the classical picture of turbulence. The near-wall region is in fact the site of a strong reverse energy transfer process in the wall-parallel directions, feeding long and wide scales that dissipate energy through sharp gradients in the wall-normal direction. A similar scenario, albeit more moderate in intensity, is observed in the Turbulent/Non-Turbulent Interface (TNTI) region. In the present work, we make use of both classical statistical tools and dynamic numerical experiments aimed at shedding light on the observed phenomena. The multiscale nature of the mechanisms involved requires the use of two-point formalisms such as the one provided by the second-order structure function. Furthermore, the rotational and dissipative nature of turbulence makes enstrophy an appealing observable, especially for the study of the TNTI region and of the vortex-stretching mechanism that is crucial in the energy cascade process. The main focus of the work is the assessment of the two-point energy and enstrophy budgets in a turbulent boundary layer, with particular attention on the near-wall and TNTI regions. Furthermore, a dynamic approach is also proposed in order to establish the role of the inner and outer cycles. This approach consists in using different scalar fields transported by modified velocity fields in which the inner and outer cycles are alternatively suppressed. All the analysis and the numerical experiments are conducted on the flow setup of a temporally evolving boundary layer via direct numerical simulations. This flow configuration, characterised by the presence of a wall and of a TNTI, exhibits spatial homogeneity in two directions (streamwise and spanwise), while retaining a qualitatively unaltered dynamics with respect to the one observed in the spatially evolving boundary layer.

I flussi turbolenti di parete sono di grande interesse per le applicazioni industriali e ambientali. La loro dinamica è governata dal ruolo combinato di un "near-wall cycle" e di un "outer cycle" che si autosostentano e che coinvolgono moti di diversa scala. La regione vicino alla parete è sede di un alto tasso di produzione di energia cinetica turbolenta e la sua dinamica è governata da moti che scalano in unità di parete. D'altra parte, per numeri di Reynolds elevati, si ritiene che l' "overlap layer" esterno diventi rilevante, in quanto sede di meccanismi autosostenuti che coinvolgono strutture di grandi dimensioni che seguono degli scaling misti tra unità di parete e unità esterne. Le complesse interazioni coinvolte, che determinano il trasferimento complessivo di quantità di moto, non sono ancora del tutto note e la loro comprensione è alla base dello sviluppo di modelli di turbolenza più affidabili e di nuove strategie di controllo. Nei flussi turbolenti di parete, la forte disomogeneità e anisotropia causata dalla presenza della parete modifica profondamente il quadro classico della turbolenza. La regione vicino alla parete è infatti sede di un forte processo di trasferimento di energia inverso nelle direzioni parallele alla parete, alimentando scale lunghe e larghe che dissipano l'energia attraverso forti gradienti nella direzione normale alla parete. Uno scenario simile, anche se di intensità più moderata, si osserva nella regione dell'interfaccia turbolenta/non turbolenta (TNTI). Nel presente lavoro, utilizziamo sia strumenti statistici classici sia esperimenti numerici dinamici per far luce sui fenomeni osservati. La natura multiscala dei meccanismi coinvolti richiede l'utilizzo di formalismi a due punti come quello fornito dalla funzione di struttura del secondo ordine. Inoltre, la natura rotazionale e dissipativa della turbolenza rende l'enstrofia un osservabile interessante, soprattutto per lo studio della regione TNTI e del meccanismo di vortex-stretching, cruciale nel processo di cascata di energia. L'obiettivo principale del lavoro è lo studio del bilancio a due punti di energia cinetica turbolenta e di enstrofia in uno strato limite turbolento, con particolare attenzione alla regione vicino a parete e alla regione della TNTI. Inoltre, viene proposto un approccio dinamico per stabilire il rispettivo ruolo del "near-wall cycle" e del "outer cycle". Questo approccio consiste nell'utilizzare diversi campi scalari trasportati da campi di velocità modificati in cui il "near-wall cycle" e l' "outer cycle" sono alternativamente soppressi. Tutte le analisi e gli esperimenti numerici sono condotti sulla configurazione di flusso di uno strato limite in evoluzione temporale mediante "direct numerical simulations". Questa configurazione di flusso, caratterizzata dalla presenza di una parete e di una TNTI, presenta un'omogeneità spaziale in due direzioni ("streamwise" e "spanwise"), pur mantenendo una dinamica qualitativamente inalterata rispetto a quella osservata nel più classico strato limite che evolve nello spazio.