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Large-eddy simulations of conical hypersonic turbulent boundary layers over cooled walls via volumetric rescaling method

Toki, Takahiko und C. B. Sousa, Victor und Chen, Yongkai und Ponchio Camillo, Giannino und Wagner, Alexander und Scalo, Carlo (2025) Large-eddy simulations of conical hypersonic turbulent boundary layers over cooled walls via volumetric rescaling method. Journal of Fluid Mechanics, 1003 (A28), Seiten 1-49. Cambridge University Press. doi: 10.1017/jfm.2024.1219. ISSN 0022-1120.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
6MB

Offizielle URL: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/largeeddy-simulations-of-conical-hypersonic-turbulent-boundary-layers-over-cooled-walls-via-volumetric-rescaling-method/9187A4F742E8D2170CD32302DDDC1043

Kurzfassung

Large-eddy simulations (LES) of a hypersonic boundary layer on a 7 deg-half angle cone are performed to investigate the effects of highly-cooled walls (wall-to-recovery temperature ratio of T_w / T_r = 0.1) on fully developed turbulence and to validate a newly developed rescaling method based on volumetric flow extraction. Two Reynolds numbers are considered, Re_m = 4.1e6 1/m and 6.4e6 1/m, at freestream Mach numbers of M = 7.4. A comparison with a reference laminar-to-turbulent simulation, capturing the full history of the transitional flow dynamics, reveals that the volumetric rescaling method can generate a synthetic turbulent inflow that preserves the structure of the fluctuations. Equilibrium conditions are recovered after approximately 40 inlet boundary layer thicknesses. Numerical trials show that a longer streamwise extent of the rescaling box increases numerical stability. Analyses of turbulent statistics and flow visualizations reveal strong pressure oscillations, up to 50% of local mean pressure near the wall, and two-dimensional longitudinal wave structures resembling second-mode waves, with wavelengths up to 50% of the boundary layer thickness, and convective Mach numbers of M_c = 4.5. It is shown that their quasi-periodic recurrence in the flow is not an artifact of the rescaling method. Strong and localized temperature fluctuations and spikes in the wall-heat flux are associated with such waves. Very high values of temperature variance near the wall result in oscillations of the wall-heat flux exceeding its average. Instances of near-wall temperature falling below the imposed wall temperature of T_w = 300 K result in pockets of instantaneous heat flux oriented against the statistical mean direction.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/205100/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Large-eddy simulations of conical hypersonic turbulent boundary layers over cooled walls via volumetric rescaling method
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Toki, TakahikoToki, Takahiko <ttoki (at) purdue.edu>NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
C. B. Sousa, Victorvsousa (at) purdue.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Chen, Yongkaichen1305 (at) purdue.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ponchio Camillo, GianninoGiannino.PonchioCamillo (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2178-0777NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, AlexanderAlexander.Wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9700-1522NICHT SPEZIFIZIERT
Scalo, Carloscalo (at) purdue.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:20 Januar 2025
Erschienen in:Journal of Fluid Mechanics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:1003
DOI:10.1017/jfm.2024.1219
Seitenbereich:Seiten 1-49
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTCambridge University PressNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Cambridge University Press
ISSN:0022-1120
Status:veröffentlicht
Stichwörter:hypersonic flow, compressible turbulence, turbulent boundary layers
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Raumtransport
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RP - Raumtransport
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Wiederverwendbare Raumfahrtsysteme und Antriebstechnologie
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Raumfahrzeuge, GO
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Hochgeschwindigkeitskonfigurationen, GO
Hinterlegt von: Ponchio Camillo, Giannino
Hinterlegt am:19 Feb 2025 10:30
Letzte Änderung:27 Feb 2025 11:57

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