This study investigated the effects of the surface texture on the characteristics of spatially developing turbulent boundary layer (TBLs) and its influence on the turbulent structures. The surface textures employed in the present study are the two-dimensional (2D) rough surface and superhydrophobic surface. To achieve this, direct numerical simulations (DNSs) of spatially developing turbulent boundary layers over sparsely-spaced two-dimensional rod-roughened walls were performed. The rod elements were periodically arranged along the streamwise direction with pitches of $p_x/k$ = 8, 16, 32, 64, and 128, where $p_x$ is the streamwise spacing of the rods, and k is the roughness height. The Reynolds number based on the momentum thickness was varied from $Re_\theta$ = 300-1400, and the height of the roughness element was k = $1.5\theta_in$, where θin is the momentum thickness at the inlet. The characteristics of the TBLs, such as the friction velocity, mean velocity, and Reynolds stresses over the rod-roughened walls, were examined by varying the spacing of the roughness features ($8 \le p_x/k \le 128$). The outer-layer similarity between the rough and smooth walls was established for the sparsely-distributed rough walls ($p_x/k \ge 32$) based on the profiles of the Reynolds stresses, whereas those are not for $p_x/k$ = 8 and 16. Inspection of the interaction between outer-layer large-scale motions and near-wall small-scale motions using two-point amplitude modulation (AM) covariance showed that modulation effect of large-scale motions on near-wall small-scale motions was strongly disturbed over the rough wall for $p_x/k$ = 8 and 16. For $p_x/k \ge 32$, the flow that passed through the upstream roughness element transitioned to a smooth wall flow between the consecutive rods. The strong influence of the surface roughness in the outer layer for $p_x/k$ = 8 and 16 was attributed to large-scale erupting motions by the surface roughness, creating both upward shift of the near-wall turbulent energy and active energy production in the outer layer with little influence on the near-wall region. DNS of spatially developing TBL over a convergent and divergent superhydrophobic surface (SHS) was performed. The convergent and divergent SHS was aligned in the streamwise direction. The SHS was modeled as a pattern of slip and no-slip surfaces. The Reθ was varied from 800 to 1400. The gas fraction of the convergent and divergent SHS was the same as that of the straight SHS, keeping the slip area constant. The slip velocity in the convergent SHS and the longer pattern was higher than that of the straight SHS. An optimal streamwise length of the convergent and divergent SHS was obtained. The convergent and divergent SHS gave more drag reduction than the straight SHS. The mean velocity profile indicated the effect of the SHS extends to the $y/\delta$ = 0.45. The convergent and divergent SHS led to the modification of near wall-turbulent structures. The convergent and divergent SHS had a relatively larger damping effect on near-wall turbulence than the straight SHS. The pre-multiplied spanwise energy spectra showed the movement of near-wall energy peak and appearance of the new energy peak with larger spanwise wavelength. Two-point AM covariance analysis exhibited the modification of near-wall structures and the relative insensitivity of the outer-wall structures.
본 연구에는 공간적으로 발달한 난류 경계층의 특성 및 난류 구조에 미치는 표면 조직의 영향을 조사 하였다. 따라서2차원 막대형 표면조도와 초소수성 표면에 대한조사 하였다. 이를 위해, 공간적으로 현상 난류 경계층의 직접적인 수치 모사 (DNSs)을 수행하였다. 막대 성분은 피치를 가진 유동방향에 따라서 정기적으로의 $p_x/k$ = 8, 16, 32, 64 배열되고, 기세 간격에 근거를 둔 레이놀즈 번호는 $Re_\theta$에서 = 300-1400 변화되고이었다. TBLs의 특성은 마찰 각측정속도와 같은 막대 거칠게한 벽에 비열한 각측정속도 소밀 특징 ($8\le p_x/k \le 128$)의 간격을 변화해서 및 레이놀즈 긴장, 시험되었다. 거칠고 매끄러운 벽 사이 외부 층 상사성은 레이놀즈 긴장의 단면도에 근거를 둔 부족하 배부된 거친 벽 ($p_x/k \ge 32$)를 위해 그들이를 위해 $p_x/k$ = 8과 16 없더라도 반면, 설치되었다. 2 점 진폭 변조 (AM) 공분산을 사용하여 외부 층 대규모 동의와 가깝 벽 소규모 동의 사이 상호 작용의 검사는 가깝 벽 소규모 동의에 대한 대규모 동의의 조음 효력이 거친 벽에 강하게를 위한 $p_x/k$ = 8도 16 교란되었다는 것을 보여주었다. $p_x/k \ge 32$를 위해, 상류 소밀 성분을 통과한 교류는 연속적인 막대 사이 매끄러운 벽 교류에 전환 하였다. 외부 층에 있는 표면 거칠기의 강한 영향은을 위한 가깝 벽 지구에 조금 영향으로 외부 층에 있는 위쪽으로 둘 다 가깝 벽 사나운 에너지의 교대 및 활동적인 에너지 생산 창조하는 표면 거칠기에 의해 대규모 분화 동의에 $p_x/k$ = 8도 16 기인했다.
공간에 집중 적이고 및 갈라진 초소수성 표면(SHS)에 TBL의 DNS는 실행되었다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS는 유동방향에서 맞추어졌다. SHS는 미끄러짐과 미끄러짐의 본이 떠오른 대로 만들어졌다. $Re_\theta$는 800에서 1400년까지 변화되었다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS의 가스 조각은 똑바른 SHS의 그것과 동일하, 미끄러짐 지역 불변의 것을 지킨. 집중적인 SHS 및 더 긴 본에 있는 미끄럼 속도는 똑바른 SHS의 그것 보다는 더 높았다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS의 최선유동 길이는 얻어졌다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS는 똑바른 SHS 보다는 끌기 감소를 더 주었다. 비열한 각측정속도 단면도는 SHS의 효력이까지 $y/\delta$ = 0.45 미친다는 것을 나타내었다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS는 가까운 벽 사나운 구조의 수정으로 이끌어 냈다. 집중 적이고 및 갈라진 SHS에는 똑바른 SHS 보다는 가깝 벽 소란에 대한 상대적으로 더 큰 감쇠 효과가 있었다. 전 곱한횡 방향 에너지 스펙트럼은 가깝 벽 에너지 첨단의 운동 및 더 큰횡 방향 파장을 가진 새로운 에너지 첨단의 외관을 보여주었다. 2 점 AM 공분산 분석은 가깝 벽 구조의 수정 및 외부 벽 구조의 관계되는 무신경을 전시했다.
