Arka durma noktasına yerleştirilmiş bir sentetik jet eyleyici kullanılarak dairesel bir silindir etrafındaki akışın sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Arka Plan—Dairesel silindir etrafındaki akış, güçlü akış ayrılması, kararsız iz bölgesi (wake) oluşumu ve buna bağlı basınç sürüklemesi nedeniyle akışkanlar mekaniğinde temel olmasının yanı sıra pratik açıdan da büyük önem taşıyan bir problemdir. Özellikle havacılık ve uzay ile inşaat mühendisliği uygulamalarında, sürüklemenin azaltılması performansın ve enerji verimliliğinin artırılması açısından kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada ele alınan Reynolds sayısı (Re = 2×10⁵), sınır tabakasının geçişe uğradığı ve iz bölgesi yapısının dış bozuculara karşı son derece hassas hâle geldiği dairesel silindirler için kritik rejim içerisinde yer almaktadır. Sentetik jet aktüatörleri (SJA), aktif akış kontrolü tekniği olarak kapsamlı biçimde araştırılmış olmasına rağmen, bu tür kritik Reynolds sayılarındaki uygulamaları yeterince incelenmemiştir. Mevcut çalışmaların büyük bölümü ise daha düşük Reynolds sayılı rejimlere veya geleneksel konfigürasyonlara odaklanmaktadır.

Amaç—Bu çalışmanın temel amacı, kritik Reynolds sayısı rejiminde çalışan bir dairesel silindirin arka durma noktasına yerleştirilen bir SJA'nın etkinliğini araştırmaktır. Bu kapsamda, aktüasyon frekansının ve momentum katsayısının sürükleme azalması, iz bölgesi dinamiği ve girdap saçılımı davranışı üzerindeki etkileri değerlendirilmektedir.

Yöntem—Çalışmada, k-ω türbülans modeli ile birleştirilmiş iki boyutlu zamana bağlı Reynolds Ortalamalı Navier–Stokes (URANS) yaklaşımı kullanılmıştır. Öncelikle referans deneysel veriler kullanılarak temel durumun aerodinamik katsayılar ve basınç dağılımı açısından doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Daha sonra boyutsuz frekans ve momentum katsayısı değiştirilerek parametrik bir çalışma yürütülmüştür. Sentetik jet ile iz bölgesi arasındaki etkileşim, zamana bağlı analizler ve faz çözümlemeli akış görselleştirmeleri kullanılarak incelenmiştir.

Bulgular—Sonuçlar, sentetik jet aktüasyonunun sürükleme katsayısında önemli bir azalma sağladığını ve alt harmonik zorlanma koşullarında maksimum %19,4 oranında sürükleme azalması elde edildiğini göstermektedir. Başlangıçtaki geçici rejimin ardından akış, kararsız dalgalanmalarını korurken ortalama sürüklemenin azaldığı yarı periyodik bir rejime geçmektedir. Sürükleme azalması mekanizması esas olarak taban basıncındaki artış ve iz bölgesi yapısının periyodik olarak değiştirilmesi ile ilişkilidir.

Sonuç—Elde edilen bulgular, uygun aktüasyon parametreleri seçildiğinde SJA'ların kritik Reynolds sayısı rejiminde dahi küt cisim akışlarını etkin bir şekilde kontrol edebildiğini göstermektedir. Çalışma, etkin akış kontrolü sağlanabilmesi için frekans ayarlaması ve momentum girdisinin önemini ortaya koymaktadır. Gelecekteki çalışmalar üç boyutlu etkilerin incelenmesine odaklanacaktır.

Keywords

• Dairesel silindir
• HAD
• Sentetik jet eyleciyi
• Sürükleme katsayısı

Supporting Institution

Orta Doğu Teknik Üniversitesi Kuzey Kıbrıs Kampüsü

Project Number

BAP-FEN-25-D-15

Ethical Statement

Makalede etik kurul izni alınmasına gerek yoktur.

Numerical investigation of flow control of a circular cylinder using a synthetic jet actuator at the rear stagnation point

Abstract

Context—Flow around circular cylinders remain a fundamental yet practically important problem in fluid mechanics due to its strong flow separation, unsteady wake formation, and associated pressure drag. In many engineering applications, particularly in aerospace and civil structures, reducing drag is essential for improving performance and energy efficiency. The Reynolds number considered in this study (Re = 2×10⁵) lies within the critical regime for circular cylinders, where the boundary layer undergoes transition, and the wake structure becomes highly sensitive to external disturbances. Despite extensive research on synthetic jet actuators (SJAs) as an active flow control technique, their application at such critical Reynolds numbers has not been thoroughly investigated, and most existing studies focus on lower-Reynolds-number regimes or conventional configurations.

Objective—The primary objective of this study is to investigate the effectiveness of a SJA positioned at the rear stagnation point of a circular cylinder operating in the critical Reynolds number regime. Specifically, the study aims to evaluate the influence of actuation frequency and momentum coefficient on drag reduction, wake dynamics, and vortex shedding behavior.

Method—A two-dimensional unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (URANS) approach coupled with the k-ω turbulence model was employed. The baseline case was first validated against reference experimental data for aerodynamic coefficients and pressure distribution. Subsequently, a parametric study was conducted by varying the non-dimensional frequency and momentum coefficient. Time-resolved analysis and phase-resolved flow visualizations were used to examine the interaction between the synthetic jet and the wake.

Results—The results indicate that synthetic jet actuation leads to a significant reduction in drag coefficient, with a maximum reduction of 19.4% under sub-harmonic forcing conditions. The flow transitions into a quasi-periodic regime after the initial transient phase, where the mean drag is reduced while maintaining unsteady fluctuations. The drag reduction mechanism is primarily associated with enhanced base pressure and periodic modification of the wake structure.

Conclusion—The findings demonstrate that SJAs can effectively control bluff body flows even within the critical Reynolds number regime when appropriate actuation parameters are selected. The study highlights the importance of frequency tuning and momentum input in achieving efficient flow control. Future work will focus on three-dimensional effects.

Keywords

• Circular cylinder
• CFD
• Synthetic jet actuator
• Drag coefficient

Supporting Institution

Middle East Technical University, Northern Cyprus Campus

Project Number

BAP-FEN-25-D-15

Ethical Statement

Ethics committee approval is not required for this article.

References

1. A. Roshko, “On the drag and shedding frequency of two-dimensional bluff bodies”, California Institute of Technology, Washington, USA, NACA Technical Note, 3169, 1954.
2. C. H. K. Williamson, “Defining a universal and continuous Strouhal–Reynolds number relationship for the laminar vortex shedding of a circular cylinder”, Physics of Fluids, 31(10), 2742–2744, 1988. https://doi.org/10.1063/1.866978.
3. C. H. K. Williamson, “Vortex dynamics in the cylinder wake”, Annual Review of Fluid Mechanics, 28, 477–539, 1996. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.28.010196.002401.
4. P. W. Bearman, “On vortex shedding from a circular cylinder in the critical Reynolds number régime”, Journal of Fluid Mechanics, 37(3), 577–585, 1969. https://doi.org/10.1017/S0022112069000735.
5. M. M. Zdravkovich, “Different modes of vortex shedding: An overview”, Journal of Fluids and Structures, 10(5), 427–437, 1996, https://doi.org/10.1006/jfls.1996.0029.
6. C. Norberg, “An experimental investigation of the flow around a circular cylinder: Influence of aspect ratio”, Journal of Fluid Mechanics, 258, 287–316, 1994. https://doi.org/10.1017/S0022112094003332.
7. N. K. Delany, N. E. Sorensen, “Low-speed drag of cylinders of various shapes”, Ames Aeronautical Laboratory, Washington, USA, NACA Technical Note, 3038, 1953. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc56716/ (Access date: 12.03.2026)
8. H. Jiang, “Two- and three-dimensional wake transitions of a circular cylinder with a rear-attached splitter plate”, Journal of Fluid Mechanics, 1014, A28, 2025, https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10267.

9. Y. -H. Sun, Y. -Z. Yang, Z. Chen, “Symmetry breaking in flow-induced rotation of the circular cylinder with a splitter plate”, Ocean Engineering, 347, 124014, 2026, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2025.124014.
10. Y. -H. Sun, Y. -D. Qi, Z. Chen, “Symmetry breaking in three-degree-of-freedom flow-induced vibration of the circular cylinder with a splitter plate”, Journal of Fluids and Structures, 142, 104519, 2026, https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2026.104519.
11. E. Thacher, C. Gabillet, B. Van Ruymbeke, S. A. Mäkiharju, “Premature transition to supercritical flow with bubbly flow around a circular cylinder”, International Journal of Multiphase Flow, 197, 105606, 2026, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2026.105606.
12. Y. R. Lu, J. J. Wang, “Numerical investigation of the flow over a two-dimensional square cylinder with a synthetic jet generated by different exciting signals”, Journal of Visualization, 27(1), 59–73, 2024, https://doi.org/10.1007/s12650-023-00952-0.
13. L. Zeng, H. Wang, X. Hu, K. Zhou, Y. Zhou, H. Tang, and Z. Wang, “Flow control of D-shaped bluff bodies using attached dual membranes”, International Journal of Mechanical Sciences., 305, 110910, 2025, https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110910.
14. H. Choi, W.-P. Jeon, and J. Kim, “Control of flow over a bluff body”, Annual Review of Fluid Mechanics, 40, 113–139, 2008, https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.39.050905.110149.
15. M. Gad-el-Hak, Flow control: Passive, active, and reactive flow management, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2000.
16. C. H. K. Williamson and R. Govardhan, “Vortex-induced vibrations,” Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 36, pp. 413–455, 2004, https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128.
17. M. A. Akar, M. Küçük, “Silindir arkasındaki daimi olmayan akış yapısının pasif yöntemle kontrolü”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 123–128, 2014, https://doi.org/10.5505/pajes.2014.51523.
18. B. Oğuz, A. Akar, E. Pınar, H. Akıllı, B. Şahin, “Derin suda dairesel silindir arkasında meydana gelen akış yapısının örgü teller ile kontrol edilmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 22(4), 280–284, 2016. https://izlik.org/JA74PA83MK.
19. B. Güngördü, M. Jabbal, A. A. Popov, “Enhancing jet velocity and power conversion efficiency of piezoelectric synthetic jet actuators”, AIAA Journal, 61(10), 4321–4331, 2023. https://doi.org/10.2514/1.J062930.
20. A. Glezer, M. Amitay, “Synthetic jets”, Annual Review of Fluid Mechanics, 34, 503–529, 2002. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.34.090501.094913.
21. B. L. Smith, A. Glezer, “The formation and evolution of synthetic jets”, Physics of Fluids, 10(9), 2281–2297, 1998. https://doi.org/10.1063/1.869828.
22. R. Holman, Y. Utturkar, R. Mittal, B. L. Smith, L. Cattafesta, “Formation criterion for synthetic jets”, AIAA Journal, 43(10), 2110–2116, 2005. https://doi.org/10.2514/1.12033.
23. Ü. Akdağ, S. Akcay, B. Güngör, H. Palancioğlu, “Çapraz akışa daldırılmış çoklu sentetik jetlerin ısı transferine etkisinin deneysel incelenmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 31(4), 546–556, 2025, https://doi.org/10.5505/pajes.2024.23428.
24. A. Arshad, M. Jabbal, Y. Yan, “Enhanced heat transfer of PCM-based heat sink augmented with plate-fins and hybrid nanoparticles for electronics cooling”, International Journal of Thermal Sciences, 218, 110107, 2025, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.110107.
25. H. Tang, S. Zhong, “2D numerical study of circular synthetic jets in quiescent flows”, The Aeronautical Journal, 109(1092), 89–97, 2005, https://doi.org/10.1017/S0001924000000592.
26. C. S. Greco, G. Paolillo, T. Astarita, G. Cardone, “The von Kármán street behind a circular cylinder: flow control through synthetic jet placed at the rear stagnation point”, Journal of Fluid Mechanics, 901, A39, 2020. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.427.
27. L. H. Feng, J. J. Wang, “Circular cylinder vortex-synchronization control with a synthetic jet positioned at the rear stagnation point”, Journal of Fluid Mechanics, 662, 232–259, 2010. https://doi.org/10.1017/S0022112010003174.
28. L. H. Feng and J. J. Wang, “Modification of a circular cylinder wake with synthetic jet: Vortex shedding modes and mechanism”, European Journal of Mechanics B-Fluids, 43, 14–32, 2014. https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2013.06.011.
29. L. Q. Ma, L. H. Feng, “Experimental investigation on control of vortex shedding mode of a circular cylinder using synthetic jets placed at stagnation points”, Science China-Technological Sciences, 56(1), 158–170, 2013, https://doi.org/10.1007/s11431-012-5074-4.
30. H. Y. Yu, W. L. Chen, H. Li, F. Auteri, D. L. Gao, “Control of cylinder wake dynamics with symmetric synthetic jets near the flow separation points”, Experiments in Fluids, 67(2), 16, 2026, https://doi.org/10.1007/s00348-026-04171-9.
31. J. Tensi, I. Boué, F. Paillé, G. Dury, “Modification of the wake behind a circular cylinder by using synthetic jets”, Journal of Visualization, 5(1), 37–44, 2002. https://doi.org/10.1007/BF03182601.
32. I. Kološ, V. Michalcová, L. Lausová, “Numerical analysis of flow around a cylinder in critical and subcritical regime”, Sustainability, 13(4), 2048, 2021. https://doi.org/10.3390/su13042048.
33. B. Güngördü, M. Jabbal, A. A. Popov, “Structural–fluidic–acoustic computational modelling and experimental validation of piezoelectric synthetic jet actuators”, International Journal of Heat and Fluid Flow, 104, 109215, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109215.
34. C. H. K. Williamson, R. Govardhan, “Vortex-induced vibrations”, Annual Review of Fluid Mechanics, 36, 413–455, 2004, https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128.
35. R. Tarakka, Jalaluddin, B. Mire, M. N. Umar, “Effect of turbulence model in computational analysis of active flow control on aerodynamic drag of bluff body van model”, International Journal of Applied Engineering Research, 10(1), 207–219, 2015. https://www.ripublication.com/ijaer10/ijaerv10n1_18.pdf.
36. G. P. Celata, M. Cumo, S. J. McPhail, L. Tesfagabir, G. Zummo, “Experimental study on compressible flow in microtubes”, International Journal of Heat and Fluid Flow, 28(1), 28–36, 2007, https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2006.04.009.
37. B. W. van Oudheusden, F. Scarano, N. P. van Hinsberg, “Phase-resolved characterization of vortex shedding in the near wake of a square-section cylinder at incidence”, Experiments in Fluids, 39(1), 86–98, 2005, https://doi.org/10.1007/s00348-005-0985-5.
38. M. de Oliveira, F. Saltara, A. Jackson, M. Parsons, B. S. Carmo, “Three-dimensional CFD simulations of the flow around an infinitely long cylinder from subcritical to postcritical Reynolds regimes using DES,” Fluids, 11(1), 26, 2026, https://doi.org/10.3390/fluids11010026.
39. C. Norberg, “Pressure forces on a circular cylinder in cross flow,” Bluff-Body Wakes, Dynamics and Instabilities, H. Eckelmann, J. M. R. Graham, P. Huerre, P. A. Monkewitz, Eds., Berlin, Heidelberg. Springer - Verlag, 1993, 275–278. https://doi.org/10.1007/978-3-662-00414-2_60.
40. G. F. Rosetti, “Improvements in the numerical modeling of turbulence and fluid-structure interaction for the vortex-induced vibrations of a rigid cylinder”, Ph. D. dissertation, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.