Riassunto analitico
Un’accurata conoscenza delle condizioni dello strato limite tra flusso e superficie solida costituisce l’elemento fondamentale di qualsiasi studio ingegneristico in campo fluidodinamico. In tal senso, è molto importante essere in grado di predire con una certa precisione l’istante in cui il fluido passerà ad un regime turbolento oppure si separerà dal corpo, dal momento che questi aspetti risultano determinanti nella valutazione delle prestazioni aerodinamiche complessive.
Da queste considerazioni nasce l’idea dietro al presente lavoro di tesi, il cui obiettivo è quello di sviluppare una nuova metodologia per la diagnostica dello strato limite, basata, in particolare, nella localizzazione di transizione e separazione del flusso sulla base delle caratteristiche assunte dai parametri statistici della funzione di probabilità delle fluttuazioni di pressione a parete.
Dopo aver raccolto delle informazioni in letteratura sui comportamenti statistici attesi, l’analisi si è basata sull’esecuzione di due esperimenti in Galleria del Vento: uno su di un profilo alare della serie NACA ed uno su un componente appartenente ad un modello di una vettura.
Prima di affrontare qualsiasi tipo di calcolo, tutte le acquisizioni sono state preventivamente controllate per assicurarsi che ci fossero le condizioni necessarie per poter trarre delle conclusioni affidabili. L’utilizzo, poi, di tecniche di visualizzazione del flusso ha consentito una miglior comprensione dei fenomeni simulati.
I primi test eseguiti sul profilo alare mostrano come flussi non monodimensionali ed interferenze del segnale inducano nelle statistiche delle fluttuazioni di pressione gli stessi comportamenti registrati per transizione e separazione. Tale aspetto risulta ancora più evidente se si considerano gli esperimenti fatti sul modello, in cui skewness e kurtosis, a causa di un andamento fortemente oscillatorio durante l’intera durata del test, non mostrano alcun tipo di comportamento carattersitico, neppure in condizioni di stallo.
L’unica eccezione è costituita dalla standard deviation, la quale è perfettamente in grado di cogliere con chiarezza qualsiasi condizione instabile o non stazionaria del flusso. Tuttavia, essa assume il medesimo comportamento indipendentemente dal tipo di fenomeno che si sta verificando (sia esso transizione, separazione oppure presenza di strutture fluide tridimensionali), motivo per cui non può fornire, da sola, una diagnostica completa dello strato limite.
Infine, i metodi basati sullo studio della derivata seconda della pressione e sui coefficienti di correlazione non sembrano adatti ad applicazioni complesse, dal momento che necessitano di una elevata densità spaziale dei sensori di misura.
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Abstract
In any engineering application in the fluid dynamic field, the most important aspect obviously consists in the study and evaluation of the state of the boundary layer. In this type of analysis, the ability to estimate the moment in which the flow will transit to a turbulent regime or will separate from the surface assumes a crucial role, since these phenomena heavily influence the overall aerodynamic performance offered by the body.
This work of thesis has the objective to develop a new methodology for boundary layer diagnostic, consisting, more specifically, in the evaluation of the statistic parameters of pressure fluctuations power density function for the prediction and detection of flow transition and separation. The analysis is conducted in a Wind Tunnel environment and is divided in two main experimental activities: one on a wing profile of the NACA series and the other on a real car model.
All the data have been preliminarily checked on signal noise and number of unique values, in order to avoid any fallacious consideration on the statistic behaviour. When available, the use of flow visualization techniques has given more information on the phenomena simulated.
The experiments on the airfoil show that this methodology is, in general, very sensitive to non mono-directional flows and noise instrumentation, since they induce in the pressure fluctuations statistics behaviour similar to the ones registered for transition and separation. The tests performed on the car component emphasize even more this aspect, thus confirming a difficult application for any study case different from the academic one. Skewness and kurtosis, in particular, represent the most problematic parameters, since their constant oscillating distribution during the experiments on the model doesn’t allow to get much information, not even in stalled conditions. Standard deviation, instead, is the only statistic perfectly capable of identifying any unstable phenomenon of the flow but, at the same time, it assumes the same behaviour for anyone of them and, therefore, it can’t be used alone.
Finally, pressure derivatives and correlation coefficients methods require too much density of measurements, so they can’t be considered for complex applications.
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