Optimal free-stream perturbation to an airfoil flow

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作者
Yiping Yao,Dandan Xiao,Xuerui Mao
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1040
标识
DOI:10.1017/jfm.2026.11827
摘要

Free-stream perturbations induce large coherent structures, crucial to the laminar–turbulent transition on flight vehicles and turbine blades, significantly affecting drag, heat transfer, noise, etc. This paper computes the optimal free-stream perturbations that undergo the strongest amplification using an adjoint method, specifically for the incompressible flow around a NACA0012 airfoil, in contrast to sharp (or no) leading-edge configurations. These perturbations are examined at different angles of attack (0 Superscript ring $^{\circ }$ – 6 Superscript ring 6 $6^{\circ }$ ) and Reynolds numbers ( italic Re equals 1000 Re = 1000 ${\textit{Re}} = 1000$ – 8000 8000 $8000$ ). At low angles of attack, two extreme points of energy growth emerge in the frequency–spanwise wavenumber plane, both on the axes. One has a spanwise wavenumber of zero, corresponding to two-dimensional unsteady modes in the wake, and the other has a frequency of zero, representing three-dimensional steady boundary-layer modes. The former is driven by the inflection point of the base velocity profile in the wake and is stronger, whereas the latter is related to the lift-up non-modal stability mechanism and directly influences the flow on the airfoil surfaces. The distribution of the three-dimensional steady optimal perturbations, similarly to the thickness of the base flow boundary layer, follows a italic Re Superscript negative 0.5 Re 0.5 ${\textit{Re}}^{-0.5}$ scaling law. This scaling enables the projection of optimal profiles obtained at low italic Re Re ${\textit{Re}}$ to high ones for engineering applications, where the direct calculation is prohibitively expensive. Subsequently, the linear optimal perturbation at italic Re equals 100 000 Re
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