Tecniche di riduzione della separazione su superfici aerodinamiche: applicazione dimples

Critical issues related to installation of increasingly large wind turbines, including blade efficiency and noise emissions were appeared in recent years. This work is aimed to study the application of dimpled laminar airfoil such as innovative boundary layer control technique. Fluid dynamics of these elements is not known yet. Therefore Computational Fluid-Dynamics (CFD) is used to analyze the flow field induced by dimples on the NACA 64-014A laminar airfoil. The numerical study begin with a first RANS simulations campaign, with particular emphasis to k-omega SST turbulence model correlated to gamma-Re_theta transition model. This approach allows to determine at first step the best geometric arrangement of the dimple, in terms of location, size and spacing between dimples. Then LES model (Large-Eddy Simulation) for the turbulence simulation is used. Therefore several solvers for incompressible Navier–Stokes equations (NSE) based on high–order explicit and implicit Runge–Kutta (RK) schemes for time–integration are developed and implemented in OpenFOAM open-source code. In particular in this work LES model based on L–stable Singly Diagonally Implicit Runge–Kutta (SDIRK) with dynamic Smagorinsky subgrid model is used. LES approach is necessary to reconstruct the fluid dynamic field of pressure. If properly validated, Curle analogy can reconstruct the sound pressure field from the fluid dynamic ones. With a view to an upcoming LES model experimental validation, wind tunnel setup components are designed and developed. Validation will allow to analyze the acoustic behavior of dimples on the sound pressure scenario without any further wind tunnel testing, avoiding the issues related to the axial fan aerodynamic noise.

Negli ultimi anni sono emerse criticità legate all’installazione di turbine eoliche sempre più grandi, fra cui l’efficienza e l’emissione sonora delle pale. In questa tesi si propone l’applicazione dei dimples su un profilo laminare come innovativa tecnica di controllo dello strato limite. Non essendo ancora nota la dinamica di funzionamento di tali elementi, è stata utilizzata la Computational Fluid-Dynamics (CFD) per analizzare il campo di moto indotto dai dimples sul profilo laminare NACA 64-014A. Lo studio numerico è iniziato con una prima campagna di analisi attraverso le equazioni RANS, con particolare attenzione al modello di turbolenza k-omega SST correlato al modello di transizione gamma-Re_theta. Questo ha consentito di determinare in primo acchito la migliore disposizione geometrica del dimple, in termini di posizione, dimensione e spaziatura tra dimples. In seguito è stato utilizzato un approccio di tipo LES (Large-Eddy Simulation) per la simulazione della turbolenza. Nello specifico sono stati implementati in un codice CFD open-source, OpenFOAM (Open-source Field Operation And Manipulation), diversi solutori per le equazioni di Navier- Stokes incomprimibili (INS) basati su schemi a bassa dissipazione nel tempo: gli schemi Runge-Kutta (RK). L’utilizzo della LES è necessario per ricostruire il campo fluidodinamico della pressione. Se opportunamente validato, da tale campo sarà possibile ricostruire il campo di pressione acustica attraverso l’analogia di Curle. Per questo è stato progettato e realizzato il setup di misura in galleria del vento di un modello del NACA 64-014A, con e senza dimples, in vista di una prossima validazione del modello LES. Questo consentirà di analizzare il contributo dei dimples sulla scena acustica del caso in esame senza realizzare ulteriori test in galleria del vento, evitando le problematiche derivanti dal rumore aerodinamico prodotto dal ventilatore.