Dottorato in INGEGNERIA AERONAUTICA E SPAZIALE

Titolo della tesi: Turbulent flows on curved walls -- insights from DNS

Flussi turbolenti su pareti curve si verificano in molte applicazioni aerospaziali e combinano instabilità centrifughe dovute alla curvatura, gradienti di pressione non uniformi e, ad alti numeri di Mach, interazioni tra onde d'urto e strato limite, producendo campi di flusso complessi e instabili. In questo contesto presentiamo FLEW, un solutore per simulazioni numeriche dirette (DNS) ad alta fedeltà di flussi comprimibili su griglie curvilinee adattate al corpo, basato su discretizzazioni ad alto ordine di accuratezza con differenze finite in coordinate curvilinee generalizzate. Dopo la verifica del codice sul vortice inviscido di Taylor-Green e la validazione rispetto a benchmark canonici, utilizziamo FLEW (e un risolutore incomprimibile aggiuntivo) per studiare tramite DNS tre problemi canonici: 1) flusso turbolento in canali curvi in condizioni di curvatura lieve e forte in un ampio intervallo di numeri di Reynolds; 2) buffet transonico su un profilo alare supercritico fino a un numero di Reynolds basato sulla corda 6x10^5 con angolo di attacco crescente per coprire condizioni di flusso stabili e di buffet completo; 3) flusso turbolento supersonico su una rampa di compressione a un numero di Mach 2.9 con flusso trasversale imposto per simulare interazioni urto-strato limite (SBLI) con separazione sotto simmetria cilindrica. Le simulazioni del canale curvo mostrano che la curvatura concava della parete riorganizza sistematicamente il flusso generando strutture su larga scala allineate lungo la direzione del flusso, che influenzano in modo significativo la transizione del flusso e lo sforzo di taglio sulla parete. Una forte curvatura convessa sopprime il ciclo di rigenerazione vicino alla parete, promuovendo al contempo moti secondari coerenti lungo la direzione trasversale. Le DNS del buffet transonico riproducono l'inversione del movimento d'urto osservata sperimentalmente con l'aumentare dell'angolo di attacco e l'inizio delle oscillazioni d'urto a bassa frequenza oltre la condizione critica. L'analisi modale rivela un modo coerente dominante al numero di Strouhal 0.1 (basato sulla lunghezza della corda e sulla velocità del flusso libero), che accoppia il movimento d'urto con il rilascio instabile di grandi strutture vorticose dallo strato di taglio separato. Queste strutture viaggiano a valle verso il bordo posteriore, dove onde di Kutta si generano per diffusione acustica, viaggiano a monte e perturbano l'onda d'urto, in linea con un modello idrodinamico-acustico a ciclo di retroazione. Per quanto riguarda la rampa di compressione con flusso medio inclinato, l'aumento della velocità trasversale tende ad allargare la regione di separazione, aumenta la coerenza delle fluttuazioni di pressione e sposta verso frequenze più alte la dinamica caratteristica a bassa frequenza. Questi effetti sono spiegati da un accoppiamento tra il modo di respirazione della bolla di separazione e la convezione trasversale di strutture coerenti di larga scala. Deriviamo una legge di scala per l'instabilità a bassa frequenza che è corroborata dai risultati DNS e sperimentali.