Active turbulence control through wall deformation in channel flow

This study is aimed to investigate a linear proportional-integral-differential (PID) feedback control using, eventually, an upstream sensor with the purpose of a net power saving in a turbulent channel flow at Re_tau = 180. Direct numerical simulations are performed analyzing the variation of the net power saving rate respect to the proportional and integral terms, and the streamwise and z-coordinate of the sensor location. Furthermore, selective control, capable of counteracting only sweep or only ejection events, is briefly examined. The resulting complexity of the wall shape is overcome with the use of an immersed boundary method, which makes the mesh generation trivial and done once at the beginning of each simulation. A net power saving rate is achieved for many different combinations of parameters indicating good effectiveness and stability of the control scheme; moreover, remarkable power saving is obtained under some sets of parameters (≈ 20%). The control profoundly modifies the near-wall flow behavior whereas, on the contrary, it has minimal effect in the outer region; the velocity fluctuations and the Reynolds shear stress, as well as the production of turbulent kinetic energy, are reduced. Besides, an outward shift of turbulence statistics in the controlled flow is observed.

Questo studio è volto ad investigare, mediante la simulazione numerica diretta, uno schema di controllo attivo, ispirato al controllo opposto (opposition control), ma che, applicato alla geometria del canale piano turbolento, sia realizzato attraverso la deformazione delle pareti del canale stesso. Lo scopo ultimo è quello di ottenere un risparmio netto di potenza immessa per sostenere il flusso mantenendo la portata costante. Lo schema di controllo sviluppato è retro-azionato, lineare ad azione proporzionale-integrale-differenziale (PID), nel quale il punto di controllo può essere posizionato, eventualmente, a monte del punto di attuazione. La complessità della forma della parete ottenuta è superata grazie all’utilizzo di un metodo a confini immersi (immersed boundary) che rende la generazione della griglia di calcolo banale ed eseguita una volta per tutte all’inizio di ogni simulazione. Un risparmio netto di potenza è stato ottenuto per molteplici combinazioni differenti di parametri, il che indica un’ottima efficienza e stabilità dello schema di controllo; oltretutto, per alcuni gruppi di parametri, è stata ottenuta una significativa riduzione della potenza totale immessa. È stato dimostrato che lo schema di controllo modifica profondamente il comportamento del flusso nella regione più vicina a parete mentre, viceversa, ha un effetto minimo o nullo nella regione centrale del canale. Le flut- tuazioni di velocità e lo sforzo di Reynolds, così come la produzione di energia cinetica turbolenta, sono ridotte rispetto al canale non controllato. In più si è osservato uno spostamento delle statistiche delle quantità turbolente verso il centro del canale.