Impact of mesh morphing on a pitching NACA 0012 in OpenFOAM and SU2 via a compound quality index

Mesh morphing is a key tool in Computational Fluid Dynamics (CFD) for simulating unsteady flows with moving boundaries. However, it naturally degrades the geometric quality of the grid, which introduces truncation errors. This study aims to quantify how the degradation of specific metrics like Aspect Ratio, Non-orthogonality, and Skewness individually impacts numerical accuracy. The analysis focuses on the unsteady harmonic pitching of a NACA 0012 airfoil, solving the RANS equations in an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) framework. To separate grid-related errors from the complex physics of unsteady flows, five controlled spatial distortion patterns were applied to the baseline grid. This approach strictly preserved the original mesh connectivity. By evaluating the L2 norm error of the aerodynamic coefficients, the results show that Aspect Ratio variations have a negligible effect, causing offsets below 1%. On the other hand, high Non-orthogonality and near-wall Skewness heavily compromise accuracy. They cause a shift in the hysteresis cycles and mainly affect the drag predictions. A comparison between solvers also highlights that the node-centred architecture of SU2 is naturally more robust to mesh distortion compared to the cell-centred formulation of OpenFOAM. Finally, a new a priori compound quality index Q is proposed. This metric combines Skewness, Non-orthogonality, and wall distance to evaluate the accumulation of discretisation errors, supporting informed mesh assessment prior to dynamic simulations.

Il mesh morphing è uno strumento fondamentale nella fluidodinamica computazionale (CFD) per la simulazione di flussi non stazionari con corpi in movimento. Tuttavia, essa comporta inevitabilmente una degradazione della qualità geometrica della griglia, introducendo errori di troncamento. Questo studio ha l’obiettivo di quantificare in che misura la degradazione di specifici indicatori di qualità, quali Aspect Ratio, Non-orthogonality e Skewness, influenzino singolarmente l’accuratezza numerica. L’analisi si concentra sul moto oscillatorio in beccheggio di un profilo alare NACA 0012, risolvendo le equazioni RANS nel sistema di riferimento arbitrario Lagrangiano-Euleriano (ALE). Per separare gli errori legati alla griglia dalla complessità fisica dei flussi non stazionari, sono stati applicati cinque categorie di distorsione spaziale alla griglia di base, preservando rigorosamente la connettività originale della mesh. Valutando l’errore in norma L2 dei coefficienti aerodinamici, i risultati mostrano che le variazioni dell’Aspect Ratio hanno un effetto trascurabile, generando scostamenti inferiori all’1%. Al contrario, elevate Non-orthogonality e Skewness in prossimità della parete compromettono fortemente l’accuratezza, inducendo uno spostamento nei cicli di isteresi e influenzando principalmente la predizione della resistenza. Un confronto tra solver evidenzia inoltre che l’architettura node-centred di SU2 risulta intrinsecamente più robusta alle distorsioni di mesh rispetto alla formulazione cell-centred di OpenFOAM. Infine, viene proposto un nuovo indice di qualità a priori composito Q, che combina Skewness, Non-orthogonality e distanza dalla parete per prevedere l’accumulo degli errori di discretizzazione, assistendo alla valutazione della griglia per le simulazioni dinamiche complete.