Riassunto analitico
Le caratteristiche di un flusso in uno strato limite sono fortemente legate al buon funzionamento di un profilo alare. In particolare, le caratteristiche più rilevanti sono l’ubicazione del punto di separazione e della regione di transizione del flusso a regime turbolento. Per questo motivo l’importanza della ricerca di strumenti e di procedure per la diagnostica delle sopracitate caratteristiche sta crescendo anno dopo anno.
In ambito computazionale, a tale scopo sono disponibili potenzialmente infiniti parametri; in studi sperimentali, invece, ciò non è vero.
I metodi di diagnostica dello strato limite più comuni presenti in letteratura si basano sull’analisi statistica del campo di velocità vicino a parete, ma tali risultano essere costosi e poco precisi, a causa della ridotta distanza tra le sonde di velocità e la parete, nonché dell’influenza che gli strumenti stessi hanno sul flusso. Una soluzione più economica e precisa consiste nella misurazione della pressione sulla superficie attraverso delle sonde affogate nella parete, sfruttando così le relazioni tra le caratteristiche dello strato limite e le fluttuazioni di pressione a parete.
Il presente lavoro parte da questa idea, cercando successivamente di trovare le relazioni tra le fluttuazioni di pressione a parete e le caratteristiche dell’intero flusso, non solo vicino alla parete, ma all’interno di tutto lo strato limite, sfruttando il più vasto insieme di possibili misurazioni ricavabili da una simulazione numerica rispetto ad un test sperimentale. In questo modo, in futuro sarebbe possibile fornire una diagnostica completa dello strato limite attraverso il solo uso di sonde di pressione affogate nella parete del corpo che si vuole studiare, sia durante esperimenti in galleria del vento, sia durante l’uso nominale del corpo stesso. A tale scopo, è stata eseguita una simulazione numerica diretta di un flusso con separazione che lambisce una sezione di ala basata sul profilo alare NACA4412.
Tale lavoro di ricerca ricade nel range dei low Reynolds number, che oggigiorno rappresenta un grande campo d’interesse grazie alla sempre crescente popolarità di micro air vehicles (MAV), di alianti ad alti aspect ratio, di veicoli a controllo remoto e dei rotori dei motori dei jet. La letteratura in questo campo della fluidodinamica è relativamente povera; attualmente è disponibile un numero limitato di DNS a bassi Reynolds.
La simulazione fornisce un set di dati non stazionari, affidabili e completi, da utilizzare per la diagnostica dello strato limite. Tuttavia, i risultati forniti potranno essere utilizzati in futuro per la validazione, per una migliore comprensione delle bolle di ricircolo, della transizione, o in generale dei fenomeni tipici dei flussi a bassi Reynolds, così come per lo sviluppo di modelli di turbolenza più accurati per le LES e le RANS.
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Abstract
Characteristics of the flow within the boundary layer are strongly related to the quality of an airfoil. In particular, the most relevant features are the location of flow separation and the transition region to turbulent regime. For this reason the importance of finding instruments and procedures with whom provide a diagnostic of aforementioned features is growing over the decades.
In a computational environment potentially infinite parameters are available for the purpose; this is not true for experimental studies.
The most common methods present in literature are based on a statistical analysis of the velocity near the wall, but these result expensive and imprecise, due to the very small distance from the wall required and the influence that instruments have on the flow itself. A different, cheaper and more precise solution is to measure wall pressure with probes dipped in the wall, by exploiting relations between wall pressure fluctuations and boundary layer features.
The present work starts from this idea. The research aims to relate wall pressure fluctuations with the characteristics of the flow in the entire boundary layer, not only near the wall, by exploiting the wider range of possible measurements of a computational environment rather than an experimental one. In this way, in the future should be possible to provide a complete diagnosis of the boundary layer just by the use of wall dipped pressure probes for experimental tests or even during the nominal use of the device itself. For this purpose, a direct numerical simulation of a separated flow about a NACA4412 profile has been performed.
The research project belongs to low Reynolds number studies, which nowadays represent a great field of interest due to the increasing popularity of micro air vehicles (MAV), jet engine fan blades, high aspect ratio sailplane wings and remotely piloted vehicles. Literature in this field of fluid dynamics is relatively poor; a limited number of low Reynolds DNS are actually available for research.
The simulation provides an unsteady, complete and accurate set of data useful for the diagnostic of the boundary layer. Results may be used in future for benchmarking, for a better comprehension of the recirculation bubble, the transition or in general low Reynolds flows phenomena, as well as the development of more accurate turbulence models for RANS and LES.
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