Impulse response in a turbulent channel flow

This work describes the measurement through a direct numerical simulation (D.N.S.) of the response of a turbulent flow confined between two planar walls to an impulsive body force. This measurement is performed by considering, for the first time, the dependency of the forcing distance from the wall. A zero-mean white-noise volume forcing is used to probe the turbulent flow, and the response function is obtained by accumulating the space-time correlation between the white forcing and the velocity field. The interest of this research lies primarily in the context of control theory, where the mean impulse response can have relevant applications in the design of closed-loop control laws which exploit the response function to describe the system dynamics. The numerical simulations have been performed using a well parallelized D.N.S. solver, whose response measurement procedure has been improved in order to deal with the considerable computational effort. The measurements have been carried out for both a laminar and a turbulent base flow and, for both the cases, the linearity range has been checked at various forcing distances. The impulse response analysis has bought to the confirmation and extension of some important results known in literature. Furthermore the three dimensional visualization of the response has allowed the identification of the topology of the interaction mechanisms between the body forcing and the flow.

In questa tesi viene descritta la misura tramite simulazione numerica diretta (D.N.S.) della risposta impulsiva di un flusso turbulento confinato tra due pareti piane ad un forzamento di volume. Tale misura viene effettuata considerando, per la prima volta, la dipendenza della distanza del punto di applicazione della forza dalla parete. La tecnica di misura consiste nell'introduzione di un forzamento di volume avente la forma di un rumore bianco a media nulla. La risposta è quindi calcolata misurando la correlazione spazio-temporale tra l'ingresso e il campo di moto in modo da filtrare le fluttuazioni di velocità non dovute al forzamento. L'interesse della ricerca si colloca nell'ambito della teoria del controllo lineare, dove la funzione di risposta lineare media può avere importanti applicazione nella progettazione di compensatori retroazionati che sfruttano la risposta stessa come modello del sistema. Fondamentale è stato l'utilizzo di un codice di calcolo D.N.S. con strategia di calcolo parallelo la cui procedura di misura della risposta impulsiva, già presente, è stata migliorata al fine di affrontare il notevole sforzo computazionale. Quest'ultimo ha richiesto particolare cura nell'impostazione dei parametri della risposta impulsiva anche a causa dei pochi riferimenti presenti in letteratura. Le misure sono state effettuate sia in regime lamiare sia turbolento verificandone la linearità per diverse quote di forzamento. L'analisi della risposta impulsiva ha portato alla conferma e all'estensione di alcuni importanti risultati noti in letteratura. Inoltre, è stato possibile ricavare la topologia dei meccanismi di interazione tra la forzante di volume e la corrente.