Drag Reduction Systems towards aeronautical applications

This Thesis mainly addresses the question: How does turbulent friction reduction measured in a lab experiment at low Reynolds numbers over a flat wall translate into potential savings for a commercial aircraft? The first part tackles the problem by focusing on a specific drag reduction strategy, namely the streamwise travelling waves of spanwise velocity (StTW). A preliminary investigation based on the Reynolds-averaged-Navier-Stokes equations (RANS) estimates the potential benefit of StTW applied over the external surface of a commercial aircraft in transonic flight. It is found that StTW modifies the shock-wave position and increase lift, so that the interaction between friction reduction and the generation of aerodynamic forces is complex and potentially beneficial. This suggestion is then more rigorously assessed via direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow, where a bump on the wall produces a pressure component of drag. Once again, StTW interacts with the pressure distribution, and pressure drag is reduced significantly. Moreover, the friction drag is reduced by an amount that overcomes the one obtained over a flat wall. Overall, this indicates that studying skin-friction drag reduction in simple geometries may hide potentially important effects. The interaction between StTW and the components of the aerodynamic force is then studied via a compressible DNS for a wing slab in transonic flight. The qualitative results found in the preliminary RANS-based study are confirmed. Indeed, StTW interferes with the shock-wave position, consequently increasing lift and the overall aerodynamic efficiency, so that the global performance of StTW largely overcomes the expectations. This is very interesting, especially because this result is general enough to hold for any (active or passive) friction reduction technique. The second part of the Thesis shifts the focus to a relatively new friction reduction strategy based on non-uniform unsteady blowing. Direct numerical simulations are designed and conducted to accurately reproduce an ongoing experimental investigation, and lead to conclude that the non-uniformity and unsteadiness of the blowing jets play a minor role. Finally, the fundamental problem of friction prediction over smoothly varying walls is discussed. Recent theories have put forward analytical formulas for the transfer function that translates the wall slope into the friction distribution. Their accuracy is assessed by comparing the predicted friction distribution with numerical results, denoting an interestingly good agreement in both the laminar and the turbulent regime.

Questa Tesi cerca principalmente di rispondere alla seguente domanda: Come si traduce la riduzione di attrito turbolento misurata durante esperimenti di laboratorio condotti su una lastra piana e bassi numeri di Reynolds, nel possibile guadagno per un aereo da trasporto? La prima parte della Tesi affronta il problema concentrandosi su una specifica strategia di riduzione di attrito, ossia le onde di velocità trasversale, viaggianti in direzione longitudinale (StTW). Un’analisi preliminare basata sulle equazioni di Navier-Stokes mediate tramite media di Reynolds (RANS) stima il guadagno potenziale della tecnica StTW applicata sulla superficie esterna di un aereo commerciale in volo transonico. Si osserva che la StTW modifica la posizione dell’onda d’urto ed aumenta la portanza, in modo tale che l’interazione tra la riduzione di attrito e la generazione di forze aerodinamiche risulta non ovvia e potenzialmente benefica. Questo indizio è stato in seguito investigato in maniera più rigorosa tramite simulazioni numeriche dirette (DNS) di una corrente turbolenta all’interno di un canale, dove un rigonfiamento della parete produce una componente di resistenza di pressione. Ancora una volta, la StTW interagisce con la distribuzione di pressione, e la resistenza di pressione è significativamente ridotta. Inoltre, la resistenza di attrito è ridotta di una quantità che supera la riduzione di attrito misurata su una parete piana. Globalmente, questo risultato conferma che studiare le tecniche di riduzione di resistenza d’attrito in geometrie semplici può nascondere effetti potenzialmente importanti. Questa interazione tra StTW e le componenti della forza aerodinamica è studiata in seguito tramite DNS comprimibili attorno ad un segmento di ala in volo transonico. I risultati qualitativi ottenuti nello studio preliminare basato su simulazioni RANS vengono confermati. Infatti, la StTW interagisce con la posizione dell’onda d’urto, e conseguentemente aumenta la portanza e l’efficienza aerodinamica, in modo tale che il guadagno globale dovuto alla StTW supera abbondantemente le aspettative. Questo risultato è particolarmente interessante, specialmente perché è abbastanza generale da valere per ogni tecnica di riduzione di attrito, che sia attiva o passiva. La seconda parte della Tesi si focalizza su una tecnica di riduzione d’attrito relativamente nuova, basata su soffiaggio instazionario e non uniforme. Simulazioni numeriche dirette sono state condotte per riprodurre accuratamente una campagna sperimentale attualmente in corso, portando alla conclusione che sia la non uniformità che l’instazionarietà dell’attuatore giocano un ruolo trascurabile. Infine è stato affrontato il problema teorico della predizione di attrito su una geometria con variazioni di pendenza moderate. Alcune teorie recenti hanno esplicitato formule analitiche della funzione di trasferimento, che permette di predire la distribuzione di attrito a partire dalla conoscenza della pendenza della parete. L’accuratezza di queste formule è valutata mettendo a confronto la predizione di attrito con risultati ottenuti tramite simulazioni numeriche, osservando un buon accordo sia in regime laminare che in regime turbolento.