Adjoint- and physics-based enhancement of complex flows

This work explores different approaches for the optimization of complex flows. The topic is paramount in recent times since the strict regulations concerning energy consumption require efficient systems in several contexts. As reflected by its structure, the thesis explores two main research areas. The first part focuses on heat transfer optimization in complex geometries of industrial interest. To this aim, we developed a library in the OpenFOAM framework for the Topology Optimization (TO) of Conjugate Heat Transfer (CHT) problems. TO is a technique that aims to minimize the value of an objective function by adding or removing solid material in the computational domain, modifying its topology. Our optimizer deals with single or multi-region problems, thus handling the simultaneous heat transfer in fluids and solids. Moreover, we explored the use of adaptive mesh refinement (AMR) to increase the solution accuracy at the fluid-solid interfaces. The optimization of cooling systems for electronic applications is a non-trivial problem with an industrial interest, which represented the playground for our library. We produced several optimal solutions for different types of problems, and we also discussed the critical issues faced for the production of prototypes starting from TO. The second part of the thesis explores some open problems concerning the drag reduction of turbulent flows in closed geometries. In particular, skin friction is modified with streamwise travelling waves of spanwise wall velocity (StTW) and its infinite-wavelength limit, the oscillating wall (OW). We studied the influence of the control on the near-wall cycle through different approaches, analyzing the modification undergone by the coherent structures. We relied on conditional average to extract the quasi-streamwise vortices (QSV) and quantify their evolution during the control cycle of StTW and the variations of the Reynolds stresses that produce drag reduction. The analogous phenomenon on OW has been explored using a phase-aware version of the anisotropic generalized Kolmogorov equations, avoiding the necessity of user-defined criteria for the extraction of the structures. To conclude, we discussed the issues of the unavoidable discretization of the travelling wave when implemented in real-life devices.

Questo lavoro esplora diversi approcci per l'ottimizzazione di flussi complessi. L'argomento è di primaria importanza poiché le recenti normative sul consumo energetico richiedono sistemi efficienti in diversi contesti. Come si evince dalla sua struttura, la tesi si concentra su due argomenti. La prima parte si concentra sull'ottimizzazione del trasferimento di calore in geometrie di interesse industriale. A tal fine, è stata sviluppata una libreria mediante il software OpenFOAM per l'ottimizzazione topologica (TO) di problemi di trasferimento di calore coniugato (CHT). La TO è una tecnica attraverso cui il valore di una funzione obiettivo viene minimizzato aggiungendo o rimuovendo materiale solido nel dominio, modificandone la topologia. Il nostro ottimizzatore tratta problemi a una o più regioni, gestendo così il trasferimento di calore simultaneo in fluidi e solidi. Inoltre, è stato valutato l'utilizzo di tecniche di adattamento di griglia (AMR) per aumentare l'accuratezza della soluzione alle interfacce fluido-solido. L'ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento per applicazioni elettroniche è un problema non banale e di interesse industriale, che ha rappresentato il test per la libreria sviluppata nell'ambito di questa tesi. Abbiamo prodotto soluzioni ottimali per diversi tipi di problemi e abbiamo anche discusso le criticità affrontate per la produzione di prototipi a partire dalla TO. La seconda parte della tesi esplora alcuni problemi aperti riguardanti la riduzione della resistenza aerodinamica di flussi turbolenti in geometrie chiuse. In particolare, la resistenza a parete viene modificato con onde viaggianti (StTW) e pareti oscillanti (OW), che ne rappresentano il limite a lunghezza d'onda infinita. Abbiamo studiato l'influenza del controllo sul ciclo di parete attraverso diversi approcci, analizzando le modifiche subite dalle strutture coerenti. Ci siamo basati su medie condizionate per estrarre vortici "quasi-streamwise" (QSV) e quantificare la loro evoluzione durante il ciclo di controllo delle StTW e le variazioni degli sforzi di Reynolds, che generano la riduzione di resistenza aerodinamica. L'analogo fenomeno su OW è stato esplorato utilizzando una versione delle equazioni di Kolmogorov generalizzate che tenesse in considerazione la fase, evitando la necessità di criteri definiti dall'utilizzatore per l'estrazione delle strutture. Per concludere, abbiamo discusso il problema dell'inevitabile discretizzazione dell'onda viaggiante quando viene implementata in dispositivi reali.