Passive control of the separated flow over a backward-facing step by means of vortex generators

The flow past a backward-facing step (BFS) is a representative model for many engineering applications, such aerodynamic devices, combustion chambers, flow around buildings and condensers. Classically, the dynamics of the flow past a BFS has been analyzed by averaging the velocity field both in spanwise direction and time. The averaged field shows that the separation region behind the step appears to be composed of two well-defined recirculation bubbles. Based on this scenario, the majority of the control strategies attempted to reduce the mean reattachment length of the recirculation region. However, the flow past a BFS is highly unsteady and three-dimensional and, hence, the concept of reattachment length becomes ill defined. We performed numerical simulations of the flow past a BFS using the software SU2. First, we successfully validated our numerical simulations. Analyzing the instantaneous vorticity field, we observed that the separated region is not organized in two well-defined recirculation bubbles. Furthermore, our analysis showed how the interaction of the shear layer vortices with the recirculation region is responsible for the thickening of the shear layer as approaches the wall. When the highly turbulent shear layer impacts with the lower wall, it induces a disorganized pattern of skin-friction coefficient. Therefore, the recirculation region is characterized by an unsteady and strongly three-dimensional footprint, far from the classical concept of reattachment line. Since the dynamics of the recirculation region is dominated by the instantaneous vorticity field, in the second part of our thesis, we modify the time evolution of the vorticity field using vortex generators (VGs). We found that VGs are able to suppress the formation of coherent vortical structures in the separated shear layer and successfully reorganize the vorticity field in the separation region. As a consequence, the time evolution of the recirculation region has a more uniform and compact footprint. In particular, the oscillations of the mean reattachment line have been reduced by 60%. In conclusion, VGs could be used successfully to control the unsteady separation in engineering applications involving geometries similar to a BFS

Il flusso a valle di un gradino è un modello rappresentativo di varie applicazioni ingegneristiche, come dispositivi aerodinamici, camere di combustione, flusso attorno edifici e condensatori. Classicamente, la dinamica del flusso a valle di un gradino è stata analizzata mediando il campo di velocità sulla larghezza del canale e nel tempo. Il campo di velocità mediato mostra che la zona di ricircolazione risulta essere composta da due ben distinite bolle di ricircolazione. Basandosi su questo sceneario, la maggior parte delle strategie di controllo mirano a ridurre la lunghezza media della zona di ricircolazione. Tuttavia, il flusso a valle di un gradino è altamente tridimensionale e instazionario, di conseguenza, non è possibile definire con precisione la lunghezza della bolla di ricircolazione. Il flusso a valle di un gradino è stato simulato utilizzando il software SU2. Abbiamo convalidato con successo la nostra simulazione. Analizzando il campo di vorticità instantaneo abbiamo notato che la zona di separazione non è composta da due ben distinite bolle di ricircolazione. Il nostro studio ha evidenziato come l'interazione tra le strutture vorticose presenti nello shear layer e la zona di ricircolazione sottostante è responsabile dell'inspessimento dello shear layer. Nel momento in cui lo shear layer turbulento impatta la parete inferiore del canale induce una regione in cui il coefficiente di taglio cambia segno in maniera disorganizzata. Di conseguenza l'impronta della zona di ricircolazione a parete è altamente instazionaria e tridimensionale. Dato che la dinamica del flusso nella zona di ricircolazione è dominata dal campo di vorticità instantaneo, nella seconda parte della tesi abbiamo modificato l'evoluzione temporale del campo di vorticità utilizzando dei generatori di vortici. Abbiamo verficato che i generatori di vortici sono in grado di impedire la formazione di strutture coerenti nello shear layer, riorganizzando il campo di vorticità a valle del gradino. Di conseguenza l'evoluzione temporale dell'impronta della zona di ricircolazione è più uniforme e compatta. In particolare, le oscillazioni della lunghezza media della zona di ricircolazione sono state ridotte del 60%. In conclusione, i generatori di vortici possono essere utilizzati con successo per applicazioni ingegneristiche che coinvolgono una geometria simile a quella del gradino.