Critical assessment of RANS turbulence models in predicting the turbulent flow past a rectangular cylinder

We investigate the capability of RANS models in simulating the turbulent flow past a rectangular cylinder with chord-to-thickness ratio 5:1, also known as the BARC benchmark, at the relatively low Reynolds number of Re=3000. Four turbulence models are considered, and their performances are compared to available DNS results. Despite the simple geometry, this flow is particularly challenging as it faces a laminar separation, a shear layer that becomes unstable, forward and reverse boundary layers and several recirculating regions. The considered RANS models predict fairly well the average drag coefficient, but fail in determining the main features of the mean flow. Some models fail also in predicting the wake vortex shedding. The terms of the budget equation for the turbulent kinetic energy are used to critically assess the performances of the models and highlight their limits. Such information is valuable for the fine-tuning and development of turbulence models in these complex separating and reattaching flows.

In questo studio vengono analizzate le capacita di modelli RANS nel simulare il flusso turbolento intorno ad un prisma rettangolare con rapporto corda-spessore pari a 5:1, altresì noto come BARC benchmark, al numero di Reynolds relativamente basso di $Re=3000$. Sono considerati quattro modelli di turbolenza e la loro performance è comparata con i risultati DNS disponibili. Nonostante la semplicità della geometria questo flusso è particolarmente impegnativo poiché presenta una separazione laminare, uno shear layer instabile, strati limite allineati al flusso e inversi e alcune zone di ricircolo. I modelli RANS considerati predicono sufficientemente bene il coefficiene di drag ma falliscono nel determinare le principali caratteristiche del flusso. Alcuni modelli falliscono anche nella predizione del rilascio di vortici nella scia. I termini della equazione del budget dell’energia cinetica turbolenta sono utilizzati per valutare criticamente la performance dei modelli e evidenziare i loro limit. Tali informazioni sono utili per la regolazione e lo sviluppo di modelli di turbolenza per flussi complessi con separazione e riattacco.