Streamwise traveling waves of wall deformation for turbulent drag reduction

This study is aimed to investigate the net power saving rate in a turbulent channel flow when applying streamwise traveling waves of wall deformation. An in-house DNS code exploiting the Immersed Boundary method (IBM) is used to simulate the flow. The DNS code that originally used a hard coded parallelisation scheme has been updated with a new scheme based on the MPI library, and its scaling efficiency has been tested. The plane channel is first validated with bibliographic references, and a parametric study is then performed by changing the wall velocity amplitude, wavelength and wave propagation speed of the downstream traveling peristaltic waves of wall deformation. The results confirm that the active flow control methodology applied is capable of reducing the pumping power required to drive the flow, translating into turbulent drag reduction. Two different behaviours are observed for the controlled cases: Some cases achieve full re-laminarization and remain in this flow regime for the rest of the simulations, while other cases are turbulent for the complete execution time even if they present net power savings.

Questo studio si propone di analizzare il tasso di risparmio energetico netto in un flusso di canale turbolento quando si applicano onde di deformazione delle pareti che viaggiano lungo la corrente. Per la simulazione del flusso è stato utilizzato un codice DNS interno che sfrutta il metodo Immersed Boundary (IBM). Il codice DNS, che originariamente utilizzava uno schema di parallelizzazione hard coded, è stato aggiornato con un nuovo schema basato sulla libreria MPI ed è stata testata la sua efficienza di scala. Il canale piano viene dapprima convalidato con riferimenti bibliografici, quindi viene eseguito uno studio parametrico modificando l'ampiezza della velocità della parete, la lunghezza d'onda e la velocità di propagazione delle onde peristaltiche di deformazione della parete a valle. I risultati confermano che la metodologia di controllo attivo del flusso applicata è in grado di ridurre la potenza di pompaggio necessaria per guidare il flusso, traducendosi in una riduzione della resistenza turbolenta. Per i casi controllati si osservano due comportamenti diversi: alcuni casi raggiungono la completa rilaminazione e rimangono in questo regime di flusso per il resto delle simulazioni, mentre altri casi rimangono turbolenti per tutto il tempo di esecuzione anche se presentano un risparmio netto di potenza.