Performance of Reynolds averaged Navier Stokes models in predicting separated flows : study of the hump flow model problem

The separation problem affects most aerodynamic flows, but the accurate prediction of these flows is still a challenging problem for CFD. This thesis will study the behavior of Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models in predicting the flow over a wall-mounted hump. The goal of the work is to evaluate strengths and weaknesses of the most used and popular RANS models (Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-omega, k-omega-SST) by using the open source software OpenFOAM. Particular attention will be given to the size of the recirculation bubble, to the position of the reattachment point, and to the trend of velocity profiles downstream of the hump. The hump modeled in this work is the same used in Rumsey’s workshops in 2004 and 2008 and in the experiments conducted by Greenblatt et al; but here, since only the baseline case is treated, the slot for the flow control is not included. Both 2D and 3D simulations are run in order to reproduce the effects of the blockage due to the end-side plates and particular attention is given to all parameters which can affect the accuracy of results: mesh resolution, boundary conditions, location of the inlet and development of the boundary layer upstream and downstream of the hump. All models predict the separation point, the pressure distribution and the velocity profiles upstream and downstream of the hump in a proper way, but k-epsilon is the only model able to catch the exact location of the reattachment point. The boundary condition used for the upper wall, (symmetry plane or viscous wall), does not change substantially the physics of the problem, even if the viscous wall condition can help in adjusting and improving the pressure coefficient distribution over the hump for the k-omega-SST model. This thesis also shows that the development of the boundary layer upstream of the hump, which depends on the position of the numerical inlet, strongly affects the velocity profiles downstream of it. Mesh resolution is another important aspect taken into account: in order to compute pressure and skin friction at the wall properly, the mesh has to be very fine in the y-direction, close to the hump.

Il problema della separazione riguarda la maggior parte dei flussi aerodinamici, ma l’accurata predizione di tali flussi resta una grande sfida in ambito di calcolo numerico (CFD). Questa tesi tratta il comportamento dei modelli RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes models) nella predizione del flusso attorno da una parete con gobba. L’obiettivo di questo lavoro è di valutare i punti di forza e di debolezza dei modelli RANS piu` usati e diffusi (Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-omega, k-omega-SST), utilizzando il software open-source OpenFOAM. Particolare attenzione sarà dedicata alle dimensioni della bolla di ricircolo, alla posizione del punto di riattacco e all’andamento dei profili di velocità a valle della gobba. La gobba modellata in questo lavoro è la stessa usata da Rumsey nei suoi workshops del 2004 e del 2008 e negli esperimenti condotti da Greenblatt et al; ma questa tesi tratta il solo caso base, mentre il problema del controllo attivo e passivo non è affrontato. Verranno eseguite simulazioni 2D e 3D, al fine di riprodurre gli effetti del bloccaggio delle pareti di estremità e verrà dedicata grande attenzione a tutti i parametri che possono influenzare l’accuratezza dei risultati: raffinatezza della mesh, condizioni al contorno, posizione della sezione di ingresso e sviluppo dello strato limite a monte e a valle della gobba. Tutti i metodi predicono il punto di separazione, la distribuzione di pressione e i profili di velocità a monte e a valle della gobba in modo accurato, ma soltanto k-epsilon riesce a riprodurre l’esatta posizione del punto di riattacco. La condizione al contorno usata per la parete superiore (piano di simmetria o parete viscosa) non cambia sensibilmente la fisica del problema, anche se la condizione di parete viscosa aiuta a migliorare la distribuzione del coefficiente di pressione attorno al modello per il modello k -omega- SST. La tesi mostra che lo sviluppo dello strato limite a monte dell' "hump”, che a sua volta dipende dalla posizione dell'inlet numerico, ha forte influenza sui profili di velocità a valle. La risoluzione della mesh è un altro aspetto importante da tenere in conto: al fine di calcolare la pressione e il coefficiente d’attrito accuratamente, la griglia deve essere molto raffinata in direzione y, in prossimità della gobba.