Riassunto analitico
L’attuale interesse nei confronti delle schiume metalliche a cella aperta ha incrementato il loro studio sotto differenti punti di vista, coinvolgendo sia metodi sperimentali che numerici.
È recente il loro impiego nell’ambito dello scambio termico. Il loro uso in scambiatori di calore compatti, così come modelli fisici di scambiatore, ha indubbiamente raccolto ampio interesse. In applicazioni come queste, che prevedono che un flusso di fluido fluisca attraverso lo strato poroso, è importante che tutte le proprietà turbolente del flusso siano contemplate, anche quelle della scia prodotta a valle del corpo. Si pensi ad esempio all’impatto che questa ha sull’aerodinamica di un’automobile da corsa e all’influenza che può avere sul raffreddamento di un componente che ne risulta investito.
Lo scopo di questo lavoro è l’analisi con metodi di fisica statistica della scia turbolenta generata da una schiuma metallica di alluminio. Le proprietà turbolente del flusso sono analizzate minuziosamente grazie alla rappresentazione della geometria della schiuma fino alla scala dei pori, mentre la turbolenza è riprodotta senza ricorrere a modelli, tramite simulazione numerica diretta (DNS). Nell'indagine sono condotte due simulazioni aventi eguale configurazione del flusso e $Re$ = 4000 (basato sulla velocità di ingresso e sul diametro nominale dei pori) ma differente valore di porosità della schiuma. I valori esaminati corrispondono a porosità molto diffuse tra le schiume metalliche altamente porose e corrispondono a $\varepsilon$ = 0.92 e 0.97.
Le equazioni di Navier-Stokes per fluidi incomprimibili sono risolte dal codice Incompact3d tramite un metodo alle differenze finite con schemi compatti di ordine elevato. L’interazione tra il flusso viscoso incomprimibile e il corpo solido della schiuma generata numericamente tramite algoritmo è trattata mediante un metodo dei contorni immersi.
Il dominio è discretizzato con una griglia cartesiana di 2048 x 512 x 512 punti, lungo la direzione longitudinale del flusso sono imposte le condizioni di inflow/outflow mentre lungo le direzioni trasversali quelle di periodicità. Per la simulazione della turbolenza ci si è avvalsi del supercomputer MARCONI-KNL messo a disposizione dal CINECA, la cui architettura parallela massiva ha consentito di impegnare fino a 4096 core nel calcolo.
Per caratterizzare la scia e definirne le proprietà è adottata una descrizione statistica della turbolenza. Velocità media, varianza delle fluttuazioni della velocità, energia cinetica turbolenta, funzione di correlazione a due punti ed altre grandezze statistiche rilevanti sono calcolate ed esaminate. Tali strumenti consentono di confrontare i risultati riportati dalle due differenti schiume e la valutazione della variazione delle caratteristiche turbolente in funzione delle porosità esaminate. Alcune analogie sono infine riscontrate nel decadimento della turbolenza rispetto a quanto riportato in letteratura nella scia generata da griglie regolari e frattali.
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Abstract
Open cell aluminum foams have been recently investigated under different aspects, involving both experimental and numerical methods, but their use as compact heat exchangers as well as physical models for heat exchangers has indeed gained a lot of interest. In these type of applications, the fluid flows through the porous media and all the turbulent flow features have to be considered as a relevant topic of investigation, even the ones concerning the wake behind the metal foam. For istance, think about its impact on the aerodynamics of a race car, and about its effect on cooling performances of another heated component.
The purpose of this project is the detailed investigation of the turbulent features of the wake behind an aluminum metal foam. To suit our interest in a detailed description, the approach used in this research is the representation at pore scale of the foam geometry, while turbulence is represented clear of models through direct numerical simulation (DNS).
Two simulations are performed at $Re$ = 4000 (based on the inlet velocity and the nominal pore diameter) and with the same flow conditions but different metal foam porosity values. The porosities tested are $\varepsilon$ = 0.92 and 0.97 in order to provide results related to the more widespread high porosity foams.
Incompact3d is the powerful high-order flow solver used to simulate turbulence. The incompressible Navier-Stokes equations are solved with sixth-order compact finite-difference schemes. The metal foam geometry is generated numerically while the effects of the immersed solid body are treated by an Immersed Boundary Method based on the alternating direction forcing method of the DNS code. The domain is discretized on a Cartesian mesh of 2048 x 512 x 512 nodes, inflow and outflow boundary conditions are enforced in the streamwise direction while periodicity is set along spanwise directions. To perform turbulence simulations the computations are run on the massive parallel infrastructure MARCONI-KNL of CINECA with up to 4096 computational cores.
The statistical representation of the turbulent flow is adopted to provide the insightful description of the wake features and their downstream evolution. Mean velocity, variances of the velocity fluctuations, turbulent kinetic energy, two-points correlation function and other relevant statistics are computed and examined. Differences between the results generated by the two porous media are assessed and evaluations about the deviation of the major turbulent quantities as porosity function are made. Finally, similarities are found between the wake behind metal foams and grid-generated turbulence regarding turbulence decay.
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