Compressibility effects on turbulence and wall heat transfer in channel flow: a Large Eddy simulation study

The influence of compressibility on turbulent wall-bounded flows is a key concern in aeronautics. While incompressible turbulence has been extensively studied, the role of compressibility in this context remains less explored. This work focuses on how compressibility influences heat transfer in turbulent flows, using Large Eddy Simulations (LES) at different Mach numbers, considering a smooth periodic channel as the domain. LES provides a suitable compromise between accuracy and computational cost, enabling the resolution of dominant turbulent structures. The simulations are carried out using dg-comp, a solver within the open-source FEMilaro library. The study includes a comparison between different turbulence models to account for subgrid-scale contributions. The objective is to quantify how compressibility alters classical behaviours observed in incompressible flows and to evaluate the performances of the different models analysed. Particular attention is given to heat transfer at the walls of the channel, but also to changes in the logarithmic layer and the overall behaviour of turbulent structures in the near-wall region. The results provide high-fidelity reference data to support the development of improved models for compressible turbulence resolved by LES, with potential applications in aerodynamic design and thermal management.

L’influenza della comprimibilità sui flussi turbolenti confinati da pareti rappresenta un tema di primaria importanza in ambito aeronautico. Sebbene la turbolenza incomprimibile sia stata ampiamente studiata, il ruolo della comprimibilità in questo contesto risulta meno approfondito. Il presente lavoro si concentra su come la comprimibilità influenzi il trasferimento di calore nei flussi turbolenti, utilizzando simulazioni Large Eddy Simulation (LES) a diversi numeri di Mach, considerando come dominio un canale periodico a pareti lisce. La LES fornisce un adeguato compromesso tra accuratezza e costo computazionale, consentendo la risoluzione delle strutture turbolente dominanti. Le simulazioni sono state condotte utilizzando dg-comp, un risolutore incluso nella libreria open-source FEMilaro. Lo studio comprende un confronto tra differenti modelli di turbolenza per tenere conto dei contributi delle scale di sottogriglia. L’obiettivo è quantificare come la comprimibilità modifichi i comportamenti classici osservati nei flussi incomprimibili e valutare le prestazioni dei diversi modelli analizzati. Particolare attenzione è dedicata al trasferimento di calore alle pareti del canale, ma anche alle variazioni nello strato logaritmico e al comportamento complessivo delle strutture turbolente nella regione vicino alla parete. I risultati forniscono dati di riferimento ad alta fedeltà a supporto dello sviluppo di modelli migliorati per la turbolenza comprimibile risolta mediante LES, con potenziali applicazioni nella progettazione aerodinamica e nella gestione termica.