Abstract This work details an experimental investigation aiming at characterizing aerodynamic and heat transfer effects induced by roughness elements on a fully-rough zero-pressure-gradient turbulent boundary layer (TBL). The studied rough surfaces were composed of distributed hemispherical elements in staggered arrangement over part of an otherwise flat plate, inducing step changes in roughness height and wall temperature. While the arrangement and the geometry of the roughness elements were fixed (constant density, constant plan and frontal solidities), the effect of varying the ratio of the boundary layer thickness δ to the roughness height k was investigated with a particular emphasis on low values of δ ∕ k . In a first part of the study, mean friction coefficients and equivalent sand heights were estimated for four configurations. Quasi-wall-similarity was observed on velocity statistics, two-point correlations and spectra measured by PIV and hot-wire anemometry, suggesting that TBL large-scale structures were not significantly influenced by such large roughness elements. In a second part, heat transfer effects were investigated using mean temperature profiles and transient surface temperature measurements, highlighting discrepancies between the two approaches. Relying on the first one, a parametrization of the non-dimensional wall temperature step function was obtained for this configuration of roughness elements. Based on this result, a semi-empirical relation for the Stanton number associated with such roughness geometries and accounting for a step change in surface temperature was derived.

中文翻译：

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引起湍流边界层阶跃变化的分布式半球形粗糙度元件的空气动力学和传热效应

摘要 这项工作详细介绍了一项实验研究，该研究旨在表征粗糙元素在完全粗糙的零压力梯度湍流边界层 (TBL) 上引起的空气动力学和传热效应。研究的粗糙表面由交错排列的分布的半球形元素组成，这些元素交错排列在一块原本平坦的平板上，导致粗糙度高度和壁温的阶跃变化。虽然粗糙度元素的排列和几何形状是固定的（恒定密度、恒定平面和正面坚固度），但研究了改变边界层厚度 δ 与粗糙度高度 k 的比率的影响，特别强调了低值δ ∕ k 。在研究的第一部分，估计了四种配置的平均摩擦系数和等效砂高度。在速度统计、两点相关性和 PIV 和热线风速测量法测量的光谱上观察到准壁相似性，表明 TBL 大尺度结构不受如此大的粗糙度元素的显着影响。在第二部分中，使用平均温度分布和瞬态表面温度测量来研究传热效应，突出了两种方法之间的差异。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。通过 PIV 和热线风速仪测量的两点相关性和光谱，表明 TBL 大尺度结构不受如此大的粗糙度元素的显着影响。在第二部分中，使用平均温度分布和瞬态表面温度测量来研究传热效应，突出了两种方法之间的差异。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。通过 PIV 和热线风速测量法测量的两点相关性和光谱，表明 TBL 大尺度结构不受如此大的粗糙度元素的显着影响。在第二部分中，使用平均温度分布和瞬态表面温度测量来研究传热效应，突出了两种方法之间的差异。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。表明 TBL 大尺度结构不受如此大的粗糙度元素的显着影响。在第二部分中，使用平均温度分布和瞬态表面温度测量来研究传热效应，突出了两种方法之间的差异。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。表明 TBL 大尺度结构不受如此大的粗糙度元素的显着影响。在第二部分中，使用平均温度分布和瞬态表面温度测量来研究传热效应，突出了两种方法之间的差异。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。依赖于第一个，获得了这种粗糙度元素配置的无量纲壁温阶跃函数的参数化。基于此结果，导出了与此类粗糙度几何形状相关的斯坦顿数的半经验关系，并说明了表面温度的阶跃变化。