Numerical study of transitional flow over concave surface with non stationary disturbances

A geração dos vórtices de Görtler é o primeiro estágio do processo de transição laminar turbulento em um escoamento de camada limite sobre uma superfície côncava. Estes vórtices geram fortes distorções tanto no perfil de velocidade quanto no perfil de temperatura intensificando a taxa de transferência de calor e o coeficiente de arrasto em relação ao escoamento laminar. A fim de maximizar ou minimizar os efeitos dessas duas propriedades neste tipo de escoamento, há vários estudos com o intuito de entender os mecanismos da formação dos vórtices de Görtler para poder retardar ou antecipar a geração deles. Este trabalho investiga a evolução, a estrutura e a influência das perturbações não estacionárias em um escoamento de camada limite sobre uma superfície côncava através da simulação numérica com métodos de alta ordem de precisão. Os resultados mostram que quando o comprimento de onda transversal e a frequência temporal aumentam, o modo subharmônico estacionário (0,2) domina o escoamento gerando os vórtices de Görtler estacionários, caso contrário, o modo fundamental (1,1) domina o escoamento e os vórtices não estacionários são gerados. As perturbações não estacionárias retardam o surgimento os vórtices de Görtler, pois a taxa de crescimento do modo fundamental (1,1) diminui quando a frequência aumenta independentemente do comprimento de onda transversal. A taxa de transferência de calor e o coeficiente de arrasto são menores para os vórtices não estacionários do que para os vórtices estacionários.The generation of Görtler vortices is the first stage of the turbulent laminar transition process in a boundary layer flow over a concave surface. These vortices produce distortions both in the velocity profile and in the temperature profile, intensifying the heat transfer rate and the drag coefficient compared to the laminar flow. There are several studies to understand the mechanisms of the formation of Görtler vortices to delay or anticipate their generation to maximize or minimize the effects of these two properties in this type of flow. This work investigates the evolution, structure, and influence of non-stationary disturbances in a boundary layer flow over a concave surface through numerical simulation with high-precision methods. The results show the stationary sub-harmonic mode (0,2) dominates the flow generating the stationary Görtler vortices as the spanwise wavelength and time-frequency increase, otherwise, the fundamental mode (1,1) dominates the flow and generated the unsteady vortices. Non-stationary disturbances delay the appearance of Görtler vortices since the growth rate of the fundamental mode (1,1) decreases when the frequency increases regardless of the transverse wavelength. The heat transfer rate and the drag coefficient for the unsteady vortices are lower than for the steady vortices