▪ Abstract We review the experimental evidence on turbulent flows over rough walls. Two parameters are important: the roughness Reynolds number [Formula: see text], which measures the effect of the roughness on the buffer layer, and the ratio of the boundary layer thickness to the roughness height, which determines whether a logarithmic layer survives. The behavior of transitionally rough surfaces with low [Formula: see text] depends a lot on their geometry. Riblets and other drag-reducing cases belong to this regime. In flows with δ/k ≲ 50, the effect of the roughness extends across the boundary layer, and is also variable. There is little left of the original wall-flow dynamics in these flows, which can perhaps be better described as flows over obstacles. We also review the evidence for the phenomenon of d-roughness. The theoretical arguments are sound, but the experimental evidence is inconclusive. Finally, we discuss some ideas on how rough walls can be modeled without the detailed computation of the flow around the roughness elements themselves.

Direct numerical simulations of unsteady channel flow were performed at low to moderate Reynolds numbers on computational boxes chosen small enough so that the flow consists of a doubly periodic (in x and z ) array of identical structures. The goal is to isolate the basic flow unit, to study its morphology and dynamics, and to evaluate its contribution to turbulence in fully developed channels. For boxes wider than approximately 100 wall units in the spanwise direction, the flow is turbulent and the low-order turbulence statistics are in good agreement with experiments in the near-wall region. For a narrow range of widths below that threshold, the flow near only one wall remains turbulent, but its statistics are still in fairly good agreement with experimental data when scaled with the local wall stress. For narrower boxes only laminar solutions are found. In all cases, the elementary box contains a single low-velocity streak, consisting of a longitudinal strip on which a thin layer of spanwise vorticity is lifted away from the wall. A fundamental period of intermittency for the regeneration of turbulence is identified, and that process is observed to consist of the wrapping of the wall-layer vorticity around a single inclined longitudinal vortex.

The structure of the intense-vorticity regions is studied in numerically simulated homogeneous, isotropic, equilibrium turbulent flow fields at four different Reynolds numbers, in the range Reλ = 35–170. In accordance with previous investigators this vorticity is found to be organized in coherent, cylindrical or ribbon-like, vortices (‘worms’). A statistical study suggests that they are simply especially intense features of the background, O(ω′), vorticity. Their radii scale with the Kolmogorov microscale and their lengths with the integral scale of the flow. An interesting observation is that the Reynolds number γ/ν, based on the circulation of the intense vortices, increases monotonically with Reλ, raising the question of the stability of the structures in the limit of Reλ → ∞. Conversely, the average rate of stretching of these vortices increases only slowly with their peak vorticity, suggesting that self-stretching is not important in their evolution. One- and two-dimensional statistics of vorticity and strain are presented; they are non-Gaussian and the behaviour of their tails depends strongly on the Reynolds number. There is no evidence of convergence to a limiting distribution in this range of Reλ, even though the energy spectra and the energy dissipation rate show good asymptotic properties in the higher-Reynolds-number cases. Evidence is presented to show that worms are natural features of the flow and that they do not depend on the particular forcing scheme.

A new numerical simulation of a turbulent channel in a large box at Reτ=2003 is described and briefly compared with simulations at lower Reynolds numbers and with experiments. Some of the fluctuation intensities, especially the streamwise velocity, do not scale well in wall units, both near and away from the wall. Spectral analysis traces the near-wall scaling failure to the interaction of the logarithmic layer with the wall. The present statistics can be downloaded from http://torroja.dmt.upm.es/ftp/channels. Further ones will be added to the site as they become available.

Numerical experiments on modified turbulent channels at moderate Reynolds numbers are used to differentiate between several possible regeneration cycles for the turbulent fluctuations in wall-bounded flows. It is shown that a cycle exists which is local to the near-wall region and does not depend on the outer flow. It involves the formation of velocity streaks from the advection of the mean profile by streamwise vortices, and the generation of the vortices from the instability of the streaks. Interrupting any of those processes leads to laminarization. The presence of the wall seems to be only necessary to maintain the mean shear. The generation of secondary vorticity at the wall is shown to be of little importance in turbulence generation under natural circumstances. Inhibiting its production increases turbulence intensity and drag.

The spectra and correlations of the velocity fluctuations in turbulent channels, especially above the buffer layer, are analysed using new direct numerical simulations with friction Reynolds numbers up to Re at very large ones.

The spectra of numerically simulated channels at Reτ=180 and Reτ=550 in very large boxes are described and analyzed. They support a model in which the u-structures can be decomposed in two components. The first one is formed by structures of size λx≳5 h, λz≈2 h, which span most of the channel height, and penetrate into the buffer layer. The second one has maximum intensity in the near-wall region, where it is highly anisotropic and scales in inner units. It widens, lengthens, and becomes more isotropic in the outer layer, where it scales with h. The cospectrum exhibits an analogous quasi-isotropic range, whose width grows linearly with wall distance. At the present Reynolds numbers, nothing can be said about a possible streamwise similarity, due to limited scale separation. An extensive set of statistics from the simulations is downloadable from ftp://torroja.dmt.upm.es/channels.

The effect of domain size on direct numerical simulations of turbulent channels with periodic boundary conditions is studied. New simulations are presented up to Reτ = 4179 in boxes with streamwise and spanwise sizes of 2πh × πh, where h is the channel half-height. It is found that this domain is large enough to reproduce the one-point statistics of larger boxes. A simulation in a box of size 60πh × 6πh is used to show that a contour of the two-dimensional premultiplied spectrum of the streamwise velocity containing 80% of the kinetic energy closes at λx ≈ 100h.

This article discusses the description of wall-bounded turbulence as a deterministic high-dimensional dynamical system of interacting coherent structures, defined as eddies with enough internal dynamics to behave relatively autonomously from any remaining incoherent part of the flow. The guiding principle is that randomness is not a property, but a methodological choice of what to ignore in the flow, and that a complete understanding of turbulence, including the possibility of control, requires that it be kept to a minimum. After briefly reviewing the underlying low-order statistics of flows at moderate Reynolds numbers, the article examines what two-point statistics imply for the decomposition of the flow into individual eddies. Intense eddies are examined next, including their temporal evolution, and shown to satisfy many of the properties required for coherence. In particular, it is shown that coherent structures larger than the Corrsin scale are a natural consequence of the shear. In wall-bounded turbulence, they can be classified into coherent dispersive waves and transient bursts. The former are found in the viscous layer near the wall, and as very large structures spanning the entire boundary layer. Although they are shear-driven, these waves have enough internal structure to maintain a uniform advection velocity. Conversely, bursts exist at all scales, are characteristic of the logarithmic layer, and interact almost linearly with the shear. While the waves require a wall to determine their length scale, the bursts are essentially independent from it. The article concludes with a brief review of our present theoretical understanding of turbulent structures, and with a list of open problems and future perspectives. ‘ Chance is the name we give to what we choose to ignore (Voltaire) ’

One-point statistics are presented for new direct simulations of the zero-pressure-gradient turbulent boundary layer in the range Reθ = 2780–6680, matching channels and pipes at δ+ ≈ 1000–2000. For tripped boundary layers, it is found that the eddy-turnover length is a better criterion than the Reynolds number for the recovery of the largest flow scales after an artificial inflow. Beyond that limit, the integral parameters, mean velocities, Reynolds stresses, and pressure fluctuations of the new simulations agree very well with the available numerical and experimental data, but show clear differences with internal flows when expressed in wall units at the same wall distance and Reynolds number. Those differences are largest in the outer layer, independent of the Reynolds number, and apply to the three velocity components. The logarithmic increase with the Reynolds number of the maximum of the streamwise velocity and pressure fluctuations is confirmed to apply to experimental and numerical internal and external flows. The new simulations also extend to a wider range of Reynolds numbers, and to more than a decade in wall distance, the evidence for logarithmic intensity profiles of the spanwise velocity and of the pressure intensities. Streamwise velocity fluctuations appear to require higher Reynolds numbers to develop a clear logarithmic profile, but it is argued that the comparison of the available near-wall data with fluctuation profiles experimentally obtained by other groups at higher Reynolds numbers can only be explained by assuming the existence of a mesolayer for the fluctuations. The statistics of the new simulation are available in our website.