Riduzione di resistenza in flussi turbolenti di parete: confronto tra esperimenti e simulazione numerica diretta.

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In questo lavoro è stata studiata numericamente una tecnica di controllo attivo per la riduzione dell'attrito turbolento di parete, basata sulla creazione di onde longitudinali viaggianti introdotta da Quadrio et al, JFM 2009. L'obiettivo specifico è quello di verificare l'unica realizzazone sperimentale di tale tecnica, ottenuta da Auteri et al, Phys. Fluids 2010. L'esperimento era stato realizzato in un condotto cilindrico, e con una distribuzione spaziale discreta delle onde idealmente sinusoidali. Utlizzando un codice di calcolo DNS specifico, scritto in linguaggio CPL, per la simulazione del flusso turbolento in un condotto cilindrico, le condizioni sperimentali sono state compiutamente riprodotte.

La legge di controllo applicata è una sinusoide discretizzata spazialmente con un numero di tratti costanti pari a s=3 (o s=6) per ogni lunghezza d'onda, così come è stato fatto nell'esperimento. Fissati il numero di Reynolds del flusso, l'ampiezza e la lunghezza d'onda del forzamento applicato, per un'onda discretizzata con s=3, il risultato in termini di riduzione di resistenza percentuale in funzione della frequenza, è quello in figura 1, dove la curva sperimentale (in blu) va confrontata con la curva numerica (in verde) e con il caso di sinusoide ideale (in rosso).

La fig.2 riporta invece il risparmio netto di energia S(%), in forma comparativa fra il caso di geometria piana noto in letteratura, e la geometria cilindrica a Retau=200. Le onde viaggianti nel condotto cilindrico riescono a rilaminarizzare completamente il flusso turbolento con un'ampiezza moderata di A+=12,.

Fig.1: Confronto fra sinusoide ideale, sinusoide discretizzata e misure sperimentali: valori percentuali di riduzione di resistenza di attrito.

Fig.2: Confronto fra sinusoide ideale, sinusoide discretizzata e misure speriemntali: valori percentuali di risparmio netto di energia.

Infine, nella fig.3 mostriamo lo stato di turbolenza spazialmente localizzato che si manifesta ad alti livelli di riduzione di attrito.

Fig.3: Visualizzazione del flusso con elevata riduzione di resistenza. Per ogni caso, la figura in alto riporta la componente assiale della velocità; la figura in basso invece sullo sfondo riporta la velocità azimutale della parete del condotto, insieme ad isosuperfici di lambda2 per visualizzare le strutture vorticose presenti nella corrente.