Implementazione e verifica di un modello di turbolenza v2-f in openFOAM

The present thesis focuses on a CFD study concerning the performance analysis of a particular turbulence model for Reynolds averaged Navier Stokes equations. A wide range of test cases is presented, from simple bidimensional flows to a tridimensional industrial application. The last part of the work has been done in cooperation with FondTech, an engineering consulting company operating in aerodynamic design of race cars, both with numerical and experimental techniques. Taking inspiration from FondTech’s experience, the work has been set on the analysis of a single turbulence model, P. Durbin’s v2−f, which was implemented in the finite volume R.A.N.S. solver of OpenFOAM, a freeware, open-source software, already used in the cited company. The structure of the work made is more or less the same of the thesis, and it is divided into five areas: formulation, implementation, validation, bidimensional and tridimensional test cases. Formulation means a complete work of literature search in mathematical models for fluid dynamics, with attention to R.A.N.S. equations, turbulence model choosing and critical aspects of high-Reynolds-number computing. Implementation was focused on C++ programming, OpenFOAM structure analysis, and new code writing. Validation has been realized comparing a series of flat plate boundary layer test cases with literature experimental and analytic results. The first use of the software was made with bidimensional cases, in order to test its behaviour in a more complex situation and to set the solver up. The last stage has been done in FondTech, with tridimensional test cases on complex geometries. Durbin’s model gave interesting results in all test cases, being very accurate in the simpler ones. More complex test cases showed a better accuracy compared to cheaper models.

Questa tesi si propone di affrontare la fluidodinamica computazionale nel contesto delle equazioni mediate di Reynolds, analizzando un modello di turbolenza particolarmente promettente a partire da casi molto semplici per finire con applicazioni complesse a carattere industriale. Sotto questa luce si può comprendere la necessità di affiancare al lavoro interno al Politecnico una collaborazione esterna, individuata nell’azienda FondTech che si occupa di consulenza ingegneristica in campo aerodinamico nel settore delle automobili da competizione. Il modello scelto è il v2−f proposto da P. Durbin, che sarà implementato nel solutore R.A.N.S. di OpenFOAM, programma gratuito e open source. La struttura del lavoro svolto ricalca sostanzialmente quella della tesi e si articola su cinque macro-aree: impostazione, implementazione, validazione, calcoli bidimensionali e calcoli tridimensionali. L’impostazione consiste nella ricerca bibliografica e nello studio delle equazioni R.A.N.S. con attenzione agli elementi critici nella scelta dei modelli di turbolenza e agli accorgimenti necessari per calcoli ad elevato numero di Reynolds. L’implementazione è stata invece focalizzata su un’introduzione alla programmazione C++, sull’analisi del codice originale di OpenFOAM e sulla realizzazione delle modifiche necessarie. La validazione consiste in una serie di calcoli di strato limite su lastra piana, per i quali si è fatto riferimento ad un database di raffronti sperimentali, oltre alle soluzioni analitiche o semi-empiriche. La prima fase di “uso” vero e proprio del software realizzato è stata limitata a calcoli bidimensionali, eseguiti con lo scopo di validare il programma su casi più complessi della lastra piana e al tempo stesso di affrontare una messa a punto più generale del solutore. L’ultima fase del lavoro si basa sull’analisi di geometrie tridimensionali complesse di interesse automobilistico. In questa ultima fase i calcoli sono stati svolti presso la FondTech. Il modello analizzato ha dato risultati in linea con le aspettative in tutti i casi test proposti. In particolare si è rivelato ottimo nei casi più semplici e nei casi più complessi è risultato migliore di modelli meno raffinati e meno costosi.