Corrections for k-w SST to account for wall roughness when coupled with a roughness-induced transition model

The present thesis aims to investigate the effects of rough-wall boundary conditions for k-w SST, when coupled with a transition model. The standard Wilcox extension for rough walls is commonly used; however, it presents known accuracy limitations when combined with Menter's Shear Stress Transport formulation, because of the interference with the SST limiter, and the boundary conditions appear to have a major influence on the behaviour of the flow in the near-wall region. To address this issue, Knopp and Aupoix have introduced various roughness corrections for fully turbulent flows, aiming to enhance accuracy in the logarithmic region. In this work, a surface roughness model that extends the Langtry-Menter transition model has been implemented into SU2, to represent the effects of roughness on transitional flows comprehensively. This model has been validated against 2D test cases, including flat plate and airfoil configurations. Furthermore, the Knopp and Aupoix corrections have been implemented into SU2, validated on a fully turbulent flat plate, and their effects on transition have been compared to the Wilcox extension, when coupled with the roughness model. The methodology is further extended to a realistic case involving the prediction of stall behaviour on a wind turbine airfoil (NREL-S814) under high roughness conditions. The results indicate that using eddy viscosity limiters significantly enhances model robustness and accuracy in predicting flow separation and aerodynamic coefficients under these conditions.

La presente tesi propone di analizzare gli effetti delle condizioni al contorno a parete per il modello di turbolenza k-w SST, in presenza di rugosità superficiale, quando accoppiato con un modello di transizione. L’estensione di Wilcox per tenere conto degli effetti della rugosità superficiale è comunemente impiegata; tuttavia, essa presenta note limitazioni in termini di accuratezza quando accoppiata con la formulazione SST di Menter, a causa dell’interferenza con il limiter di SST. Inoltre, le condizioni al contorno risultano avere un’influenza rilevante sul comportamento del flusso nella regione prossima alla parete. Per affrontare tale problematica, Knopp e Aupoix hanno proposto differenti correzioni per la rugosità nel caso di flussi turbolenti, con l’obiettivo di migliorare l’accuratezza nella regione logaritmica. In questo lavoro, un modello di rugosità superficiale che estende il modello di transizione di Langtry-Menter è stato implementato nel codice in SU2, al fine di rappresentare in maniera più completa gli effetti della rugosità per flussi transizionali. Il modello è stato validato mediante test case 2D, sia su una lastra piana che su profili alari. Inoltre, le correzioni proposte da Knopp e Aupoix sono state implementate in SU2, validate su una lastra piana completamente turbolenta, e confrontate con l’estensione di Wilcox in termini di effetti sulla transizione, una volta accoppiate con il modello di rugosità implementato. La metodologia è stata infine estesa a un caso realistico, volto alla previsione del comportamento allo stallo di un profilo alare per turbine eoliche (NREL-S814) in condizioni di elevata rugosità. I risultati ottenuti indicano che l’utilizzo di limitatori per la viscosità turbolenta migliora significativamente la robustezza del modello e l’accuratezza nella previsione della separazione del flusso e dei coefficienti aerodinamici in queste condizioni.