On separating and reattaching flows

This Thesis focuses on the flow past rectangular cylinders with different aspect ratio. The study spans a wide range of Reynolds numbers, extending from the laminar regime, where the first two- and three-dimensional instabilities are addressed, to the turbulent regime where the intricate scale-space flow dynamics is characterised. Several tools have been employed, including linear stability analysis, vortex dynamics, bifurcation theory, Floquet analysis and non-linear Direct Numerical Simulations, from which single- and two-point statistics are collected. We have also introduced a new statistical tool, the Anisotropic Generalised Kolmogorov Equations or AGKE, that enables the scale-space characterisation of anisotropic, inhomogeneous turbulent flows. The AGKE are the exact budget equations for the second-order structure function tensor and describe pro- duction, transport, redistribution and dissipation of the Reynolds stresses, considering simultaneously the space of scales and the physical space. In this Thesis, before using the AGKE to study the turbulent flow past rectangular cylinders, we have applied them to simpler flow configurations. With the AGKE we have have detailed the interactions between the small- and large-scale structures in a turbulent Couette flow. We have also extended the AGKE to consider time-periodic flows and we intend to apply them to the phase-by-phase characterisation of the quasi-periodic turbulent shedding of the flow past rectangular cylinders. In this Thesis, however, this extended AGKE version has been applied only to a turbulent channel flow forced by an exactly periodic spanwise wall oscillation, a well known technique for reducing turbulent skin-friction drag. In the last part of the Thesis, we put flow control into perspective and discuss its feasibility and effectiveness in aeronautical applications. We present the first Direct Numerical Simulation of the compressible flow past a wing slab in the transonic regime, where localised flow control for skin-friction drag reduction is applied. This study investigates the effect of skin-friction drag reduction on the overall aerodynamic drag budget, that for complex three-dimensional bodies contains additional contributions, besides the viscous friction, such as pressure and wave drag. Estimates, based on the wing-related results, are also provided for the whole airplane.

La tesi tratta la corrente intorno a cilindri di sezione rettangolare con diversi allungamenti. Lo studio considera un ampio intervallo di numeri di Reynolds, partendo dal regime laminare dove la prima instabilità bidimensionale e la seconda instabilità tridimensionale sono trattate, fino al regime turbolento dove l'intricata dinamica della corrente è caratterizzata considerando sia lo spazio fisico chee lo spazio delle scale. Nel corso della tesi sono stati usati diversi strumenti, tra cui analisi di stabilità lineare, dinamica dei vortici, teoria delle biforcazioni, analisi di Floquet e Simulazioni Numeriche Dirette non lineari, da cui statistiche a un punto e statistiche a due punti sono state calcolate. Inoltre abbiamo introdotto un nuovo strumento statistico, le Equazioni Generalizzate di Kolmogorov Anisotrope o AGKE, che permettono di caratterizzare correnti turbolente non omogenee e anisotrope, considerando simultaneamente lo spazio delle scale e lo spazio fisico. Le AGKE sono le equazioni di bilancio del tensore funzione di struttura del secondo ordine e descrivono la produzione, trasporto redistribuzione e dissipazione degli sforzi di Reynolds, considerando simultaneamente lo spazio delle scale e lo spazio fisico. Nel corso della tesi, prima di usare le AGKE per lo studio della corrente turbolenta intorno a cilindri a sezione rettangolare, le abbiamo usate per studiare configurazioni più semplici. Le AGKE sono state usate per studiare l'interazione tra le strutture di piccola e grande scala nella corrente turbolenta di Couette. Successivamente abbiamo esteso le AGKE per considerare correnti peridiche nel tempo, con l'intento di usarle per caratterizzare fase per fase il rilascio quasi-periodico dei vortici nella corrente turbolenta intorno ad un cilindro rettangolare. Nonostante questo, nel corso della tesi questa estensione delle AGKE sono state usate solo per un canale turbolento forzato con un'oscillazione periodica della parete, una nota tecnica per la riduzione dell'attrito turbolento. Nella parte conclusiva della tesi, abbiamo discusso della possibilità di usare tecniche di riduzione di attrito con efficacia in applicazioni aeronautiche. Abbiamo presentato la prima Simulazione Numerica Diretta di una corrente comprimibile intorno ad un profilo alare nel regime transonico, dove una tecnica di riduzione dell'attrito turbolento è applicata localmente. Questo studio vuole investigare l'effetto di queste tecniche di riduzione di attrito sul bilancio globale della resistenza aerodinamica, che in applicazioni reali contiene contributi aggiuntivi oltre alla resistenza di attrito, come la resistenza di pressione e la resistenza d'onda. Partendo dai risultati relativi all'ala, stime relative all'aereo complessivo sono fornite.