On the Identification of Nonlinear Optima in Spatially Developing Boundary Layer Flow

The present thesis studies transition to turbulence in a spatially developing bound-ary layer for subcritical Reynolds numbers. A fully nonlinear iterative direct-adjoint optimisation technique is employed to identify finite amplitude perturbations triggering transition in an energy efficient way. The study explores two approaches to find the Reynolds number scaling of the subcritical transition energy threshold Ec(Re) and the corresponding nonlinear optimum which is the minimal seed for subcritical transition to turbulence. The first approach focuses on shortened optimisation time horizons T compared to a reference case with T = 400. It is shown that the transition energy threshold Ec increases for T = 200/300 when compared to the reference value Ec,T =400. This is linked to the existence of local optima which maximise the objective functional for short transient times. These local optima are fully localised and feature the Orr and liftup energy growth mechanisms as observed for the reference case. However, their long-time evolution is suboptimal since it leads to a stable streak configuration which is found to relaminarise also for initial amplitudes of E0 > Ec,T =400. The second approach of using an inflow Reynolds number increased by factor 3/2 but non-shortened T is shown to be suitable to identify the scaling Ec(Re). Exploratory optimisation runs suggest a decrease in the transition energy threshold of at leastEc(3/2 · Re)/Ec(Re) < 0.47.Denna avhandling studerar turbulensöverång i ett rumsligt-utvecklande gränsskikt vid subkritiska Reynolds tal. En icke-linjär iterativ direkt-adjoint optimeringsteknik implimenteras för att indentifiera perturbationer med ändlig amplitud som leder till övergång på ett energieffektivt sätt. Studien utforskar två metoder för att hitta skalningen av Reynolds numret till den subkritiska energytröskeln Ec(Re) för övergång och det tillhörande icke-linjära optimum minimal seed som leder till subkritisk turbulensövergång. Den första metoden fokuserar på förkortade optimeringstidshorisonter T jämfört med referensfallet med T = 400. Det visar sig att energitröskeln Ec ökar för T = 200/300 jämfört med referensvärdet Ec,T =400. Detta är kopplat till förekomsten av lokala optima som maximerar the objective functional för korta transienta tidsho-risonter. Dessa lokala optima är helt lokala i rummet och uppvisar samma Orr och liftup energitillväxtmekanismer som referensfallet. Utvärderingen på lång sikt visar sig dock vara suboptimal då den leder till en stabil streak konfiguration som återför även initiella perturbationsamplituder E0 > Ec,T =400 till ett laminärt tillstånd. Den andra metoden, som använder sig av Reynolds tal ökade med en faktor 3/2 men icke-förkortade tidshorisonter T , visar sig lämplig för att identifiera skalningen Ec(Re). Utforskande optimering antyder att en minskning i energitröskeln för övergång medminst Ec(3/2 · Re)/Ec(Re) < 0.47