Modelagem de estruturas coerentes em escoamentos turbulentos

Abstract

Este trabalho investiga as estruturas coerentes bidimensionais em um escoamento turbulento sobre uma placa plana com gradiente adverso de pressão nulo, utilizando dados numéricos de simulações LES para números de Reynolds de fricção variando entre Reτ ≈ 300 e 2480. A análise espectral revelou a presença de estruturas coerentes com kz → 0, indicativas de ondas hidrodinâmicas relevantes na direção da envergadura, com potencial aplicação em aeroacústica. Utilizou-se a Decomposição Ortogonal Própria Espectral (SPOD) para extrair os modos mais energéticos desse escomento, que foram modeladas por meio da análise de resolvente localmente paralela. A comparação entre os modos dominantes da SPOD e as respostas ótimas da análise de resolvente mostrou boa concordância para baixos e intermediários números de Reynolds, enquanto para alto número de Reynolds a correspondência se deteriora, evidenciando o aumento das interações não lineares. Os resultados indicam que a análise de resolvente é um modelo de ordem reduzida promissor para perturbações bidimensionais em escoamentos turbulentos de parede, especialmente em regimes de baixo a moderado números de Reynolds. A combinação entre SPOD e análise de resolvente se mostra uma abordagem pertinente para a modelagem e controle de escoamentos turbulentos em contextos científicos e de engenharia.

This work investigates bidimensional coherent structures in a turbulent boundary layer flow over a flat plate with zero adverse pressure gradient, using numerical data from LES simulations for friction Reynolds numbers ranging from Reτ ≈ 300 to 2480. Spectral analysis revealed the presence of coherent structures with kz → 0, indicating spanwise-extended hydrodynamic waves with potential applications in aeroacoustics. Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) was employed to extract the most energetic modes of the flow, which were then modeled using locally parallel resolvent analysis. The comparison between the leading SPOD modes and the optimal responses from resolvent analysis showed good agreement for low to intermediate Reynolds numbers, while for higher Reynolds numbers the correspondence deteriorated, indicating stronger nonlinear interactions. The results suggest that resolvent analysis is a promising reduced-order model for bidimensional perturbations in wall-bounded turbulent flows, particularly in low to moderate Reynolds regimes. The combination of SPOD and resolvent analysis proves to be a relevant approach for modeling and controlling turbulent flows in both scientific and engineering applications.