Assessment of RANS turbulence closures for a high supersonic flow over a compression ramp

The ability of the Reynolds-Averaged-Navier-Stokes model to reproduce flow separation and transition to turbulence for a highly supersonic flow over a compression ramp is evaluated. The shock system characterizing the flow induces a separation of the boundary layer along the flat plate and a reattachment along the ramp. This particular flow configuration challenges common turbulence models in predicting the physical solution. In this work, compressibility corrections and the γ-Reθ transition model are employed to improve predictions. Their combined effect is also evaluated. Comparison between different closure models namely, the Spalart-Allmaras and the Shear-Stress-Transport, is presented. A performance assessment targets the pressure and the skin friction coefficients, and the wall Stanton number profiles along the flat plate and the ramp. Both experimental study and DNS simulations are available to benchmark predictions. The EQUiPS uncertainty quantification module from the SU2 suite is used to estimate the prediction uncertainty ascribable to the modeling hypotheses inherent the SST turbulence closure.

In questo lavoro, viene valutata la capacità del modello RANS di riprodurre la separazione e la transizione alla turbolenza di una corrente di aria in regime alto supersonico su di una rampa. Il sistema di urti generato dall’interazione tra la corrente e la parete induce la separazione dello strato limite sulla lastra piana e il suo riattacco sulla superficie della rampa. Questo particolare tipo di configurazione pone alcune sfide nel simulare l’applicazione utilizzando i modelli di turbolenza di comune utilizzo nel settore industriale. Per riprodurre al meglio la fisica del problema, vengono utilizzate correzioni di comprimibilità ed il modello di transizione γ-Reθ . Anche il loro effetto combinato è valutato. Viene effettuato un confronto tra diversi modelli di turbolenza nello specifico, i modelli di Spalart-Allmaras e Shear-Stress-Transport, analizzando il coefficiente di pressione, il coefficiente di attrito a parete, ed il profilo del numero di Stanton lungo la parete. Come soluzioni di riferimento, vengono utilizzate sia uno studio sperimentale che una simulazione DNS, ed i loro risultati sono confrontati con quelli delle simulazioni RANS. Il modulo EQUiPS, disponibile nel software SU2, viene utilizzato per stimare l’incertezza delle previsioni numeriche legata alle ipotesi inerenti la struttura del modello di turbolenza SST.