Turbulent large-scale structures over heterogeneous surfaces

Oberflächen mit heterogenen Eigenschaften kommen in vielen technischen und geophysikalischen Strömungen vor, wie beispielsweise atmosphärische Strömungen über urbanen und ländlichen Flächen verdeutlichen. Aufgrund der zahlreichen Oberflächenformen, unterschiedlicher Texturen und der Vielzahl involvierter Skalen ist das derzeitige Wissen über den Einfluss heterogener Oberflächen auf die Austauschprozesse von Impuls-, Wärme- und Stofftransport in turbulenten Strömungen jedoch begrenzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis dieser Prozesse beizutragen, indem der Fokus auf eine spezielle Unterart heterogener Oberflächen gelegt wird, nämlich auf spannweitig heterogene Oberflächen, bei denen die Oberflächenheterogenität senkrecht zur Hauptströmungsrichtung auftritt. ... mehrDiese Oberflächen sind bekannt dafür turbulente Sekundärströmungen auszubilden, welche die Austauschprozesse turbulenter Strömung erheblich verändern. Diese Sekundärströmungen treten dabei in Form von großskaligen und gegenläufigen Wirbeln senkrecht zur Hauptrströmungsrichtungen auf. Die Thesis untersucht einerseits den Einfluss von seitlichen Variationen des Oberflächenwiderstands in Kombination mit unterschiedlichen relativen Wandhöhen auf die Entstehung von Sekundärströmungen. Andererseits, wird der Einfluss von spannenweitig heterogenen Oberflächen auf turbulente großskalige Strukturen untersucht, welche auch über homogenen Wandbedingungen anzutreffen sind. Die Untersuchungen in dieser Arbeit basieren auf direkten numerischen Simulationen (DNS), die alle relevanten turbulenten Skalen auflösen. Für Sekundärströmungen über abwechselnd glatten und rauen Wandstreifen wird gezeigt, dass deren Stärke mit dem relativen Höhenunterschied zwischen den Streifen korreliert, unabhängig davon welcher Streifen hervorsteht. Die Drehrichtung der Sekundärströmung hängt jedoch davon ab, ob der Rauheitsstreifen hervorsteht oder vertieft ist, was mit der Verteilung der wandnormalen Ablenkungen der spannweitigen Geschwindigkeit an den hervorstehenden Streifenkanten zusammenhängt. Die Interaktion und Koexistenz zwischen Sekundärströmungen mit $\textit{large}$- und $\textit{very-large-scale motions}$ (LSM/VLSM) wird in turbulenten Strömungen offener Kanäle mit in Strömungsrichtung orientierten Stegen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Koexistenz zwischen Sekundärströmungen und VLSMs bei großen Stegabständen $S\ge 4\delta$ möglich ist, wobei $\delta$ die halbe Kanalhöhe ist. Somit können VLSMs in den von Sekundärströmungen unbeeinflussten Bereichen der Täler zwischen den Stegen entstehen. Desweiteren kann gezeigt werden, dass die verringerte Stärke der Sekundärströmung durch Abnahme der Steghöhe schließlich zum Wiederauftreten von VLSMs in Stegnähe führt. Mit Hilfe der $\textit{proper orthogonal decomposition}$ (POD) werden für enge Stegabstände ($S\le\delta$) instantane großskalige turbulente Strukturen aufgedeckt. Diese Strukturen ähneln LSMs und erstrecken sich über benachbarte Stege, was aus den mittleren Sekundärströmungen nicht ersichtlich ist. Zusätzlich wird in turbulenten Kanalströmungen mit Stegen untersucht, wie sich spannweitig heterogene Oberflächen auf großskalige turbulente konvektive Strukturen auswirken, die sich unter der gleichzeitigen Wirkung von Auftrieb und Scherung bilden. Zu diesen konvektiven Strukturen gehören $\textit{streamwise rolls}$, die lange, kohärente und in Strömungsrichtung ausgerichtete Rollen darstellen. Diese treten bei spannweitig heterogenen Oberflächem im Vergleich zu homogenen, glatten Wandbedingungen in einem reduzierten Bereich auf, was mit einem durch die Stege erhöhten induzierten Wiederstand assoziiert wird. Darüber hinaus können die Stege eine langsame Dynamik der \textit{streamwise rolls} verursachen, sofern der spannweitige Stegabstand in der Größenordnung der Breite der $\textit{streamwise rolls}$ liegt.

Surfaces with heterogeneous properties occur in many engineering and geophysical flows, as atmospheric flows over urban and rural areas illustrates. However, due to the multitude of surface patterns, variation in textures and a variety of different scales, the current knowledge on the influence of heterogeneous surfaces on the exchange processes of momentum, heat and mass transport of turbulent flows is limited. The aim of the thesis is to contribute to a better understanding of these processes by focusing on a specific subtype of heterogeneous surface, that is spanwise heterogeneous surfaces, where the surface heterogeneity occurs perpendicular to the main flow direction. ... mehrThese surfaces are known to generate turbulent secondary motions, which appear as large-scale counter-rotating vortices aligned with the flow. These can significantly alter the exchange processes of turbulent flows. One objective of the thesis is to investigate the influence of lateral variations in surface drag in combination with relative wall elevation on the formation of secondary motions. In addition, the influence of spanwise heterogeneous surfaces on turbulent large-scale structures, which can also be found above homogeneous wall conditions, is examined. All investigations of the thesis are based on direct numerical simulations (DNS), which resolve all relevant turbulent scales. For secondary motions over alternating smooth- and rough-wall strips, it is found that the strength of secondary motions correlates with the relative height difference between these strips, independent of which strip is protruding. However, the rotational direction of the secondary motions depends whether the roughness strip is protruding or recessed, which is related to the distribution of wall-normal deflections of spanwise velocity at the protruding strip edges. The interaction and coexistence of secondary motions with large-scale and very-large-scale motions (LSM/VLSM) is investigated in turbulent open-channel flows with streamwise-aligned ridges. The results shows that coexistence between secondary motions and VLSMs is possible for large ridge spacings $S\ge 4\delta$, where $\delta$ is the half-channel height, such that VLSMs emerge in the valleys between the ridges that are unaffected by secondary motions. Reducing the strength of secondary motions by decreasing the ridge height, eventually leads to the reappearance of VLSMs at the ridges. By means of proper orthogonal decomposition (POD), instantaneous large-scale structures are detected for dense ridge spacings ($S\le\delta$), that resemble LSMs and extending over adjacent ridges, which is not evident from the mean secondary motions. In addition, the influence of spanwise heterogeneous surfaces on turbulent convective large-scale structures, which form under the concurrent action of buoyancy and shear, are examined in turbulent channel flows with streamwise-aligned ridges. Among these structures are streamwise rolls, which are long coherent structures aligned with the flow direction. Their range of occurrence is significantly reduced by spanwise heterogeneous surfaces compared to homogeneous smooth-wall conditions, which is related to the increased drag exerted by the ridges. Furthermore, the ridges can introduce slow dynamics of the streamwise rolls in case the spanwise ridge spacing is in the order of the roll's width.