Direct Numerical Simulation of Very-Large-Scale Motions in Turbulent Pipe Flow

Die turbulente Rohrströmung ist nicht nur von großer Bedeutung für Anwendungen im Ingenieurbereich, sondern auch für die Grundlagenforschung von wandnaher Turbulenz. In der vorliegenden Arbeit wird die Interaktion sogenannter turbulenter Superstrukturen (engl.: very-large-scale motions, VLSMs) mit der kleinskaligen Wandturbulenz auf Basis der Methode der direkten numerischen Simulation untersucht. Dabei werden Schubspannungs-Reynoldszahlen bis Re¿ = 2880 und Rohrlängen bis L = 42R berücksichtigt. Es wird das Konvergenz- und Skalierungsverhalten verschiedener statistischer Momente der Geschwindigkeitsverteilung untersucht und in Bezug auf VLSMs diskutiert. Die folgende Analyse der axialen Energietransportgleichung des gefilterten Geschwindigkeitsfeldes legt offen, dass VLSMs Energie von der mittleren Strömung zugeführt bekommen, ähnlich den kleinskaligen Strukturen durch den turbulenten Produktionsmechanismus. Die verschiedenen Terme der Energiebilanz werden sowohl anhand von mittleren Profilen, als auch instantanen Strömungsvisualisierungen und drei-dimensionalen Korrelationen diskutiert, wobei auch auf das Phänomen der inversen turbulenten Energiekaskade eingegangen wird. Die Forschungsarbeit gewährt dabei neue Einblicke in die Interaktion der VLSMs mit dem turbulenten Wandzyklus und trägt zum besseren Verständnis der turbulenten Rohrströmung bei.

Turbulent pipe flow is not only of importance to engineering applications but also of fundamental interest to the study of wall-bounded turbulence. In the present work, the interaction of the so-called very-large-scale motions (VLSMs) with the near-wall, small-scale turbulence is explored by means of direct numerical simulation for friction Reynolds numbers up to Re¿ = 2880 and pipe lengths up to L = 42R. Besides, the convergence and the scaling of different order moments of the velocity distribution are studied and also discussed with regard to VLSMs. The subsequent analysis of the streamwise energy budget equation of the filtered velocity field reveals that VLSMs obtain their energy from the mean velocity field via a production mechanism similar to the one known from the near-wall cycle. Moreover, the different energy budget terms are investigated by means of statistical averages, instantaneous flow field visualisations, and three-dimensional correlations, wherein the backscattering phenomenon is also dealt with. In brief, the research sheds new light on our understanding of the interaction between VLSMs and the near-wall cycle and leads to a better grasp of turbulent pipe flow in general.