Enhancing diffuser performance using transverse grooves to delay flow separation

A Computational Fluid Dynamics (CFD) driven design methodology, utilizing StarCCM+, was employed to analyze various open test section wind tunnel configurations for Scuderia Ferrari. The primary objective of the study was to minimize the footprint of the diffuser while addressing a range of constraints, including logistical, geometrical, and financial considerations. As a result, both a straight-wall wind tunnel and an axisymmetric wind tunnel were optimized and proposed as potential solutions to meet the project requirements. Building upon the results obtained from the analysis conducted for Scuderia Ferrari, a flow control method was subsequently implemented to improve the efficiency and enhance the flow uniformity of three dimensional diffusers utilized in open test section wind tunnels. Suitably-shaped grooves are introduced in the diffuser diverging walls. Grooves promote the relaxation of the non-slip condition along streamlines bounding the small recirculation regions passively forming inside grooves. This reduces momentum losses and results in a downstream boundary layer with higher momentum, which is more separation-resistant. The proposed flow-control device has been successfully validated for plane diffusers. In this study, we examined circular and square-section diffusers with different degrees of flow separation. Given that the investigated diffusers are part of open-jet wind tunnels, the entire wind tunnel geometry was included in the numerical simulation. Grooves significantly enhanced performance in circular diffusers by reducing the extent of separation and promoting an axisymmetric and spatially uniform flow. However, negligible benefits were observed for square-section diffusers. In these cases, since flow separation originates from one of the four inclined edges of the diffuser, placing grooves along the diverging walls does not effectively reduce the separation extent. Nonetheless, the grooves become effective again in diffusers with rectangular cross-sections of high aspect ratio.

Una metodologia di progettazione basata sulla Computational Fluid Dynamics (CFD), tramite l'utilizzo di StarCCM+, è stata impiegata per analizzare diverse configurazioni di gallerie del vento a sezione di prova aperta per Scuderia Ferrari. L'obiettivo principale dello studio era minimizzare l'ingombro del diffusore, soddisfacendo al contempo una serie di vincoli, tra cui considerazioni logistiche, geometriche e finanziarie. Di conseguenza, sono state ottimizzate e proposte, come soluzioni potenziali per soddisfare i requisiti del progetto, sia una galleria del vento a parete rettilinea che una galleria del vento dotata di convergente e divergente assialsimmetrici. Partendo dai risultati ottenuti dall'analisi condotta per Scuderia Ferrari, è stato successivamente implementato un metodo di controllo della separazione del flusso per migliorare l'efficienza e ottimizzare l'uniformità del campo di moto nei diffusori tridimensionali utilizzati nelle gallerie del vento a camera di prova aperta. A tal fine, sulle pareti del diffusore sono state introdotte delle groove appositamente modellate. Le groove favoriscono un rilassamento della condizione di aderenza lungo le linee di corrente che delimitano le piccole aree di ricircolo che si formano passivamente al loro interno. Questo riduce le perdite di quantità di moto e genera a valle uno strato limite avente maggiore energia, il che lo rende più resistente alla separazione. Il dispositivo di controllo del flusso proposto è stato già validato con successo per diffusori piani. In questo progetto di tesi, sono stati esaminati diffusori a sezione circolare e quadrata interessati da diversi gradi di separazione del flusso. Dato che i diffusori analizzati fanno parte di gallerie del vento a getto libero, le simulazioni numeriche svolte hanno interessato l'intera geometria della galleria. L'introduzione delle groove ha notevolmente migliorato le prestazioni nei diffusori circolari, riducendo l'estensione della separazione e favorendo un flusso assialsimmetrico e spazialmente uniforme. Tuttavia, nei diffusori a sezione quadrata, i benefici osservati sono trascurabili: poiché la separazione del flusso si origina da uno dei quattro spigoli inclinati del diffusore, l'introduzione delle groove lungo le pareti del divergente non riduce efficacemente l'estensione della separazione. Le groove tornano però a dare risultati migliorativi nei diffusori a sezione rettangolare caratterizzati da un elevato rapporto tra i lati.