A DNS analysis of the effects of cross-sectional geometric defects on riblet performance

This work is centered on the study of riblets with real geometries. The research is based on the idea that their drag reduction capability can differ considering actual implementations and nominal prototypes. To conduct the inves- tigation, Direct Numerical Simulations (DNS) are performed to model the ribbed channel flow. The primary aim is to extend the results presented by García-Mayoral & Jiménez [10]. Being well established the importance of tip sharpness, they used laminar simulations to show that edge rounding can significantly influence performance, focusing specifically on triangular and blade shapes. To explore this effect under more practical conditions, turbulent simulations are performed at the maximum drag reduction regime, where laminar predictions alone are inadequate. DNS re- sults confirm what was presumed, tip rounding halves the effectiveness of the trian- gular profile and improve the blade drag reduction capability. A second objective is to investigate how operational characteristics of a physically manufactured riblet can differ from those of its nominal designed version. For this purpose, laminar and turbulent simulations are conducted for a riblet profile extracted from a micro- scopic scan image. The results are then compared with those of a geometry that could represent its reference geometry. The findings highlights how manufacturing tolerances or wear related defects can lead to discrepancies of up to 65% between the expected and actual operational effectiveness.

Questo lavoro si concentra sullo studio di riblets con geometria reale. La ricerca parte dall’ipotesi che la capacità di riblets di ridurre attrito possa variare se si considerano implementazioni reali e prototipi nominali. Per condurre l'indagine, sono state eseguite Simulazioni Numeriche Dirette (DNS) al fine di modellare il flusso di canale scanalato. L’obiettivo principale è stato quello di estendere i risultati presentati da García-Mayoral & Jiménez [10]. Essendo noto quanto siano importanti gli spigoli aguzzi, gli autori hanno utilizzato simulazioni laminari per dimostrare come un loro arrotondamento possa influenzare significativamente le prestazioni, focalizzandosi specificatamente su riblets con sezioni triangolari e rettangolari. Per studiare questo effetto in condizioni di funzionamento ottimali, sono eseguite simulazioni turbolente nel regime di massima riduzione d’attrito, dove le previsioni basate esclusivamente sul flussi laminari risultano insufficienti. I risultati delle simulazioni DNS confermano le ipotesi iniziali: l’arrotondamento delle punte infatti dimezza l’efficacia del profilo triangolare, migliorando invece la capacità di riduzione dattrito della forma rettangolare. Un secondo obiettivo è quello di investigare come le caratteristiche operative di una riblet fisicamente prodotta possano differire rispetto alla sua versione ideale di progetto. A tale scopo, sono condotte simulazioni laminari e turbolente considerando un profilo estratto da una scansione 2D microscopica. I risultati sono poi confrontati con quelli di una geometria assunta come riferimento nominale. I risultati hanno evidenziato come tolleranze di produzione o difetti legati all’usura possano causare discrepanze fino al 65% tra l’efficacia operativa attesa e quella effettiva.