Effect of local roughness on drag of bluff bodies

The present work intends to study the effect of local roughness on drag. Different aspects of the problem are analysed, especially the attention is focused on force measurement, pressure field and wake phenomenology. The local roughness is modified by the application of rough strips on the surface of the body. In this project most of experiments are performed on a cylinder, but for some tests an element of a professional bicycle frame has been used in order to develop an application of practical interest. Firstly the sensitivity to the strip positioning has been verified in order to find the best configuration strip positioning and roughness type. In the following, for the other tests, a comparison between the reference condition and the best configuration is always given, to see the effects of this technique. Surface flow visualisations have been done to observe the changes of the flow due to the strips, especially to see the displacement of the separation line on the surface of the body. Furthermore, it has been studied the pressure field around the cylinder, remarking that the strips reduce the pressure difference between the front and the rear part of the cylinder, by a ``sail effect'' on the front part and an increase of the pressure coefficient in the rear part. The wake phenomenology has been investigated through the Particle Image Velocimetry Technique (PIV) and it has been observed that wake size is reduced and also the vortices shape is modified: when applying strips it results to be more elongated. Finally the results of numerical simulations are presented; the RANS model associated to the k-epsilon turbulence model, has been used to simulate both the simple cylinder and the cylinder with strips. Preliminary but interesting results have been obtained, indeed it has been observed a delay of separation even if some aspects linked to the boundary conditions are not completely clear. This technique gives a maximum drag reduction of about 40% but it has shown a certain sensibility to side wind effects.

Il presente lavoro intende illustrare lo studio dell'eff etto della rugosit à locale sulla resistenza dei corpi tozzi. Diff erenti aspetti del problema vengono presentati ed analizzati, in particolare l'attenzione è focalizzata sulle misure di forza, sul campo di pressione superfi ciale e sulla fenomenologia della scia. La rugosit à del corpo è stata modi cata attraverso l'applicazione di "strisce rugose" sulla superfi cie del corpo. Nel corso degli esperimenti è stato utilizzato per lo pi ù un cilindro, ma alcuni esperimenti sono stati e ffettuati su di un elemento del telaio di una bicicletta da corsa professionale, per valutare la riduzione di resistenza in un caso di applicazione pratica. Dapprima è stata veri cata la sensibilit à al diff erente posizionamento dell'elemento rugoso al fi ne di trovare la migliore confi gurazione posizionamento VS tipo di rugosit à. Nel seguito vengono presentati dei confronti tra la condizione di riferimento e le diff erenti confi gurazioni, al fi ne valutare gli eff etti di questa tecnica. Le visualizzazioni superfi cie sono state eseguite per osservare i cambiamenti del flusso attorno al corpo legati alla presenza della rugosit à addizionale, in special modo per vedere lo spostamento della linea di separazione sulla super cie del corpo. In aggiunta è stato studiato il campo di pressione attorno al cilindro, che ha mostrato come la modifi ca locale della rugosit à riduca la diff erenza di pressione tra la superfi cie anteriore e posteriore del cilindro, ovvero un "eff etto vela" nella parte anteriore e una riduzione contemporanea del coeffi ciente di pressione in quella posteriore. La fenomenologia della scia è stata investigata attraverso la tecnica cosiddetta "Particle Image Velocimetry" (PIV), ed è stato osservato che la dimensione trasversale della scia si riduce, cos ì come la forma dei vortici viene modi cata: quando la rugosit à viene modi cata, questi risultano essere pi u allungati. Infi ne è stata eff ettuata anche una simulazione numerica del problema del cilindro con e senza strisce di rugosit à, utilizzando le equazioni RANS associate con il modello di turbolenza k-epsilon . I risultati ottenuti sono ancora allo stadio preliminare anche se molto interessanti, infatti è stato modellato il ritardo di separazione dovuto alla rugosit à aggiuntiva, anche se alcuni aspetti legati alla modellazione dello strato limite non sono completamenti chiari. La presente tecnica fornisce una riduzione massima della resistenza di circa il 40% , ma mostra una certa sensibili tà alla direzione del flusso.