Numerical investigations of bypass transition and its control

This thesis deals with the laminar-turbulent transition process in boundary layers induced by free-stream turbulence (FST), commonly referred to as bypass transition. The investigation has been carried out using direct numerical simulations (DNS), stability analysis, and control theory. The various aspects of bypass transition considered in this work can be grouped into two categories: open and closed-loop dynamics. The open-loop dynamics span from the inception to the breakdown of instabilities, driving the flow from a laminar to a turbulent state. A broader understanding of this process could inspire new and more accurate models for transition prediction, which is of great interest in many engineering applications. In this context, stability theory provides an excellent framework to study the pre-transitional flow. This work has confirmed the relevance of optimal disturbance theory in realistic flow conditions, and how its inexpensive computations can provide valuable information regarding the most 'dangerous' disturbances in terms of their amplification. The key role of streak secondary instabilities in bypass transition has also been studied. They constitute the main cause of transition in a flat plate simulation considering realistic wind tunnel conditions. By comparing the secondary instabilities leading to breakdown in different geometries and FST compositions, it has been found that their hosting streaks feature similar aspect ratios, regardless of their streamwise position. An explanation for this apparent size preference has been provided based on optimal growth and energy propagation due to non-linear interactions. The closed-loop dynamics address how new inputs can steer the system to a desired state based on operational information extracted from the system. In boundary layers, delaying transition is an attractive idea for energy savings due to the lower drag associated with a laminar state. This work explores this possibility with the use of control t
Denna avhandling behandlar den laminära-turbulenta övergångsprocessen i gränsskikt inducerad av friströmsturbulens (FST), vanligen kallad bypass-transition. Studien har genomförts med hjälp av direkta numeriska simuleringar (DNS), stabilitetsanalys och reglerteknik. Två typer av bypass-transition beaktas, omslagsprocessen utan reglerteknisk påverkan och med användning av reglerteknik. Omslagsprocessen utan användning av reglerteknik handlar till stor del om hur instabiliteter växer och bryter ner strömningen till turbulens. En bredare förståelse av denna process kan resultera i bättre metoder för att förutsäga laminärt-turbulent omslag, vilket är av stort intresse i många tekniska tillämpningar. I detta sammanhang ger stabilitetsteori ett utmärkt ramverk för att studera strömningen före omslaget sker. Vårt arbete har bekräftat relevansen av sk ``optimal störningsteori'' i realistiska situationer, och hur de kan ge värdefull information om de mest ``farliga'' störningarna. Nyckelrollen av sekundärinstabiliteter har också studerats. De utgör huvudorsaken till övergången till turbulens för strömningen över vingar och plana plattor där strömningen i friströmmen innehåller tillräckligt med turbulens. Genom att jämföra sekundärinstabiliteterna som leder till sammanbrott i olika geometrier har det visat sig att långa strukturer av hög- och låghastighetsstråk med liknande förhållande mellan spännvidds och vertikal skalor är associerade med sammanbrott till turbulens. En förklaring för denna storlekspreferens baseras på optimal tillväxt tillsammans med icke-linjär interaktion mellan stråk med olika spännvidds skalor. Med användning av reglerteknik adresserar vi hur aktuatorer kan styra systemet till ett önskat tillstånd baserat på information som via mätningar extraherats från systemet. I gränsskiktströmning är man intresserad av att fördröja övergång från laminärt till turbulent tillstånd för att åstadkomma energibesparingar genom det lägre motståndet ett laminärt tillst