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The effect of a forward-facing step on Tollmien-Schlichting waves

Barahona, Marina und Rius-Vidales, Alberto F. und Tocci, Francesco und Hein, Stefan und Kotsonis, Marios (2025) The effect of a forward-facing step on Tollmien-Schlichting waves. Journal of Fluid Mechanics, 1023 (A38), Seiten 1-39. Cambridge University Press. doi: 10.1017/jfm.2025.10768. ISSN 0022-1120.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
16MB

Offizielle URL: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/effect-of-a-forwardfacing-step-on-tollmienschlichting-waves/733DF5FD5943EF955C50E23617D2C967

Kurzfassung

The interaction between a forward-facing step (FFS) and single-frequency Tollmien-Schlichting (TS) waves is investigated with experiments and two-dimensional (2D) Direct Numerical Simulations (DNS). Dedicated hot-wire anemometry (HWA) and particle image velocimetry (PIV) measurements in the vicinity of the FFS provide a characterization of the perturbation field, as well as validation of the DNS results. Comparison between experiments, 2D-DNS, and Linear Parabolized Stability Equations (LPSE) confirm the two-dimensional nature of the flow and the linearity of the instability mechanisms around the FFS. Upstream of the step, TS waves are gradually amplified by the increasing adverse pressure gradient. In the step vicinity, both mean flow and perturbation field exhibit abrupt distortion, with decoupling of the base flow-oriented growth-rate components indicating significant non-modal evolution. Downstream of the step, the mean flow recovers to baseline conditions, but the perturbation field remains highly distorted. LST results suggest the presence of superimposed modes on the original TS mode in this region. Despite their decay in streamwise direction, their presence imprints modifications in the TS wave growth and shape, manifested as the tilting of the perturbation structure in and against the mean flow shear direction. This initiates a reversed Orr-mechanism, characterized by a region of stabilization followed by destabilization further downstream. Eventually, the TS waves realign to their asymptotic (modal) behavior. Overall, the FFS destabilizes the TS wave far downstream. However, the streamwise extent and magnitude of the stabilization downstream of the FFS remain significant. The stability mechanisms identified in this work could guide future research in designing step geometries that leverage the local stabilization downstream of the step to achieve transition delay.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/212728/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:The effect of a forward-facing step on Tollmien-Schlichting waves
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Barahona, MarinaM.BarahonaLopez (at) tudelft.nlNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rius-Vidales, Alberto F.a.f.riusvidales (at) tudelft.nlNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tocci, FrancescoFrancesco.Tocci (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-6764-5338197787343
Hein, StefanStefan.Hein (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kotsonis, Mariosm.kotsonis (at) tudelft.nlNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 November 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:1023
DOI:10.1017/jfm.2025.10768
Seitenbereich:Seiten 1-39
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:boundary layer stability, transition to turbulence, absolute/convective instability
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Effizientes Luftfahrzeug
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DLR - Forschungsgebiet:L EV - Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Flugzeugtechnologien und Integration
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Hochgeschwindigkeitskonfigurationen, GO
Hinterlegt von: Tocci, Francesco
Hinterlegt am:24 Nov 2025 16:37
Letzte Änderung:24 Nov 2025 16:37

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