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Relaminarization of turbulent pipe flow induced by streamwise traveling wave wall transpiration and its scaling

Bauer, Christian und Wagner, Claus (2026) Relaminarization of turbulent pipe flow induced by streamwise traveling wave wall transpiration and its scaling. Acta Mechanica, Seiten 1-26. Springer. doi: 10.1007/s00707-026-04637-1. ISSN 0001-5970.

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

Offizielle URL: https://rdcu.be/e7Mxe

Kurzfassung

In technical applications, pumping fluids through pipes often generates turbulent flows with high Reynolds numbers, where over 90% of the pumping energy is dissipated by near-wall turbulence. Relaminarization of such flows offers significant energy savings. Streamwise traveling waves of wall blowing and suction have been shown to relaminarize turbulent pipe flow at a low friction Reynolds number (Reτ = 110), reducing friction losses and energy consumption. This work extends the investigation to higher Reynolds numbers, demonstrating that traveling waves can trigger relaminarization up to Reτ = 720. A parametric study is conducted at Reτ = 180 and Reτ = 360, examining upstream traveling waves (UTWs, c < 0) and downstream traveling waves (DTWs, c > 0) while varying amplitude a, celerity c, and wavelength λ. Consistent with channel flow studies, UTWs destabilize the flow yet can generate sublaminar drag; only low-speed UTWs with large amplitudes effectively reduce energy consumption. For DTWs, a wide range of parameters reduces drag, but significant net energy savings occur only for 0.067Uc,lam < a < 0.1Uc,lam, c ≈ Uc,lam, and λ ≈ 360δν , independent of Reynolds number. During relaminarization, the turbulent kinetic energy decays exponentially nearly to zero within 3D/uτ , while the flow accelerates to its terminal velocity over 65D/uτ . The relaminarized flow exhibits half-vortical structures scaling in viscous units superimposed on a laminar profile, effectively reducing the pipe cross section. Within 180 ≤ Reτ ≤ 540, over 97% of the theoretically achievable drag reduction is realized. These scaling relations enable prediction of traveling wave-induced relaminarization at higher Reynolds numbers, offering a practical approach for energy-efficient turbulent pipe flow control.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/223342/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Relaminarization of turbulent pipe flow induced by streamwise traveling wave wall transpiration and its scaling
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bauer, ChristianChristian.Bauer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1838-6194NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, ClausClaus.Wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2273-0568NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:10 März 2026
Erschienen in:Acta Mechanica
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1007/s00707-026-04637-1
Seitenbereich:Seiten 1-26
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Flores, OscarUniversidad Carlos III de MadridNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Garcia-Villalba, ManuelTechnical University of ViennaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Marchioli, CristianUniversity of UdineNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rodriguez, IvetteUniversitat Politecnica de CatalunyaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Springer
Name der Reihe:Turbulence and Interactions
ISSN:0001-5970
Status:veröffentlicht
Stichwörter:turbulent pipe flow, relaminarization, streamwise traveling waves
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Schienenverkehr
DLR - Schwerpunkt:Verkehr
DLR - Forschungsgebiet:V SC Schienenverkehr
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - RoSto - Rolling Stock
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Bodengebundene Fahrzeuge
Hinterlegt von: Bauer, Christian
Hinterlegt am:18 Mär 2026 15:44
Letzte Änderung:18 Mär 2026 15:44

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