Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi riguarda questioni di ampio respiro ancora in corso di dibattito nel campo della fluidodinamica e dell’aerodinamica di corpi tozzi. Lo studio rappresenta pertanto un contributo di potenziale impatto per diverse comunità scientifiche. La comunità della meccanica dei fluidi è interessata ad un’ampia comprensione della fenomenologia che sta dietro a questi tipi di flussi, in modo particolare nel modo in cui i flussi di free-shear, quelli che impattano su pareti indeformabili e infine i flussi di scia interagiscono tra di loro. Pure la caratterizzazione delle strutture turbolente e dei meccanismi di autosostentamento della stessa che innescano delle instabilità periodiche rimangono un argomento molto discusso. Inoltre, per quanto riguarda la comunità di ingegneria civile e del vento, ci sono altri aspetti applicativi inerenti a questi tipi di flussi che risultano molto interessanti. Difatti, la caratterizzazione di certe quantità statistiche per i flussi attorno a corpi tozzi, in particolare a sezione rettangolare, rappresentano un riferimento sia per la comprensione che per una corretta progettazione di ponti a lunga campata e grattacieli. Nonostante l'interesse generale, lo studio di questi flussi canonici ha incontrato parecchie difficoltà sia affrontando il problema da un punto di vista sperimentale che da quello numerico. Gli esperimenti hanno evidenziato difficoltà soprattutto per via di errori di misura che riguardano, tra gli altri, le basse frequenze di campionamento per i metodi ottici P.I.V. (particle image velocimetry) e la scarsa risoluzione spaziale per gli anemometri a filo caldo. In aggiunta, gli esperimenti sono anche affetti da problemi legati al controllo non sempre possibile delle condizioni al contorno, che vanno ad influenzare consistentemente il comportamento di tali flussi. Come esempio riportiamo il non perfetto allineamento del corpo con il profilo di velocità in ingresso, gli effetti di bloccaggio della camera di prova e gli effetti di bordo dovuti alla dimensione finita del corpo nel piano perpendicolare a quello del profilo in ingresso. D'altra parte le simulazioni numeriche dirette, le uniche che risolvono le equazioni di Navier-Stokes senza l'uso di modelli, richiedono costi computazionali molto ingenti per flussi ad alto numero di Reynolds in cui la turbolenza sia pienamente sviluppata. Per questo motivo, i tentativi di simulazione fatti in passato tramite modellazione hanno incontrato notevole disaccordo nei risultati proprio per il fatto intrinseco dei limiti di accuratezza degli stessi. In questo contesto, lo scopo della presente tesi è di eseguire una simulazione numerica diretta (DNS) del flusso attorno a corpi tozzi ad un numero di Reynolds moderato. Questo approccio ci ha permesso di produrre dati ad alto livello di accuratezza ad un costo computazionale adeguato per catturare tutti i fenomeni rilevanti sopra descritti. I dati estratti dalla simulazione sono stati successivamente analizzati nel dettaglio, al fine di ottenere una descrizione completa del flusso e dei meccanismi di generazione e autosostentamento della turbolenza che si innescano attorno all’oggetto. Una simile analisi non trova altri riscontri nella letteratura specializzata fino ad oggi, limitatamente alla classe di flussi descritta, e a questo livello di dettaglio. Ci si attende inoltre che i risultati del presente lavoro siano di utilità per lo sviluppo di modelli di turbolenza più accurati, e per il benchmarking degli stessi.
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Abstract
This work deals with wide-ranging issues in the field of fundamental fluid mechanics and aerodynamics of bluff bodies. The study thus represents a contribution with a potential impact on different scientific communities.
The fluid mechanics community is interested into the characterization of the phenomenology behind flows around elongated bodies. In particular, how free shear flows, impinging flows and wake flows interact is of relevant importance. The type of turbulent structures and the triggering mechanisms of the self-sustaining cycle of turbulence represent also relevant topics.
The wind and civil engineering community is also interested in this kind of research activity. Indeed, the flow around finite blunt bodies represents a benchmark for the understanding of the main physical phenomena appearing in a wide range of bluff bodies like, among others, long-span bridge decks and high-rise buildings.
Notwithstanding the general interest, the study of this canonical flow encountered several problems both from an experimental and numerical point of view. In experiments the difficulties are related to measurement errors such as the low sampling frequency of optical methods (PIV, particle image velocimetry) and the poor spatial resolution of hot-wire anemometry. Furthermore, experiments suffer from the imperfect control of the boundary conditions which strongly influence the behaviour of such a flow. As an example, an imperfect alignment of the blunt plate with the free-stream, the blockage effect of the wind tunnel and the edge effects due to the finite spanwise dimension of the experiment, are known to significantly affect the behaviour of the flow.
On the other hand, the numerical approach is hindered by the high computational costs required to solve the problem in conditions relevant to the applications, i.e. to capture the whole turbulent spectrum at relatively large Reynolds numbers. For this reason, most of the numerical attempts made so far used modelling approaches, thus reducing the accuracy of the solution.
In this context, the aim of the present thesis is to perform a Direct Numerical Simulation (DNS) of the flow around a finite blunt body at moderate Reynolds number. This approach allows us to produce high fidelity numerical data, at a value of the Reynolds number at which all the relevant turbulent phenomena occurring in this kind of flow can be detected. The extracted data are then analysed in detail to provide a complete description of the flow and an insight in the observed mechanisms of generation and self-sustainment of turbulence, which has not been performed yet for this kind of flows, and to this level of detail. Results are also expected to be useful for model development and benchmarking.
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