Large eddy simulation of the transitional flow around the SD7003 airfoil and application to blade-vortex interaction

In this thesis the transitional flow around the SD7003 airfoil at alpha = 8 , Re = 60 000 and Ma = 0.2 was investigated employing p-adaptive large eddy simulations in a Discontinuous Galerkin framework. This test case is particularly challenging since a laminar separation bubble (LSB) with transition and reattachment of the turbulent boundary layer (BL) has been observed. Furthermore the dimensions of the LSB are greatly affected by transition. The results obtained with the dynamic anisotropic model have been compared with the implicit model computations, experimental measurements and other numerical results available in literature. The polynomial adaptivity technique confirmed its capability to correctly represent the flow with a great saving in the computational cost. Furthermore the results obtained with the dynamic anisotropic model are close to experimental measurements thanks to the capability of this model to capture the energy backscatter from the subgrid scales. Starting from the statistically steady state flow field obtained, the viscous, parallel, blade-vortex interaction (BVI) has been studied in the same numerical framework. The BVI is a phenomenon of common occurrence in several engineering problems: because of the low Reynolds number chosen, the closest application field of the present work is in the design of micro aerial vehicles. A modelled vortex has been superimposed to the flow around the SD7003 airfoil and the dynamic p-adaptivity has been successfully employed to capture its advection over time. The loads have been recorded and compared with a reference simulation without the vortex. While the drag rapidly comes back to its steady-state value, the transients for lift and moment coefficients are longer because of the effect of the vortex on the LSB.

In questa tesi è stata studiata la corrente transizionale attorno al profilo SD7003 a alpha = 8 , Re = 60 000 e Ma = 0.2 utilizzando le Large Eddy Simulations con l’adattività polinomiale in una discretizzazione con elementi finiti discontinui di Galerkin. Questo è un test case particolarmente impegnativo poiché è presente una bolla di separazione laminare con transizione e riattacco dello strato limite turbolento. Inoltre le dimensioni della bolla sono fortemente influenzate dalla transizione. I risultati ottenuti col modello dinamico anisotropo sono stati confrontati con quelli ottenuti con un modello implicito, misure sperimentali e altri risultati numerici disponibili in letteratura. L’adattività polinomiale ha confermato la sua capacità di rappresentare correttamente la corrente con un grande risparmio del costo computazionale. Inoltre i risultati ottenuti col modello anisotropo si avvicinano alle misure sperimentali grazie alla capacità di tale modello di cogliere il backscatter di energia dalle scale di sotto-griglia. A partire dal campo di moto statisticamente stazionario ottenuto, è stata studiata l’interazione viscosa, parallela tra vortice e profilo nello stesso contesto numerico. Questa interazione è presente in molti problemi ingegneristici: il campo di applicazione più vicino a questo lavoro è nel progetto di micro aerial vehicles per via del basso numero di Reynolds scelto. Un vortice modellato è stato sovrapposto alla corrente attorno al profilo SD7003 e l’adattività polinomiale dinamica è stata utilizzata con successo per seguire il trasporto del vortice nel tempo. I carichi aerodinamici sono stati confrontati con quelli ottenuti con una simulazione senza vortice. A differenza del coefficiente di resistenza che torna rapidamente alla condizione statisticamente stazionaria, i transitori per i coefficienti di portanza e momento sono più lunghi a causa dell’effetto del vortice sulla bolla di separazione laminare.