Simulazioni numeriche di flussi turbolenti attraverso geometrie complesse

The study of turbulent phenomena in complex geometries through of the discretization of Navier Stokes equations (DNS Direct Numerical Simulation method) is as accurate as it is expensive in terms of computational cost. The use of LES (Large Eddy Simulation) allows the accuracy to be maintained while significantly reducing the computational cost. The following thesis work aims to study and improve a code that implements the wall-modeled LES method, WMLES, combined with the IBM method, obtained by modifying the CaNS code. The WALE method (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) is used to represent the sub-grid motions. The IBM (Immersed Boundary Method) is used to represent complex geometries and simulate their interaction with the flow. In order to validate the method, two types of geometry were considered for the simulations: a turbulent channel with flat walls and a turbulent channel with a sinusoidal profile at the bottom. The results obtained through simulation were compared with analytical data and results found in literature. The thesis develops by presenting, in the first chapters, the theoretical part concerning turbulent flows and solving models of the Navier Stokes equations, and in the final chapters the implementation of the models and the results obtained during validation.

Lo studio dei fenomeni turbolenti in geometrie complesse attraverso la discretizzazione delle equazioni di Navier Stokes (metodo DNS Direct Numerical Simulation) risulta tanto accurato quanto oneroso in termini di costo computazionale. L’utilizzo delle LES (Large Eddy Simulation) permette di mantenere l’accuratezza riducendo in modo significativo il costo computazionale. Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di studiare e migliorare un codice che implementi il metodo LES modellato a parete, WMLES, unito al metodo IBM, ottenuto modificando il codice CaNS. Per rappresentare i moti di sotto griglia viene utilizzato il metodo WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). Il metodo IBM (Immersed Boundary Method) viene impiegato per rappresentare le geometrie complesse e simulare la loro interazione con il flusso. Per validare il metodo sono state considerate due tipologie di geometria per le simulazioni: un canale turbolento con pareti piane ed un canale turbolento che presenta sul fondo un profilo sinusoidale. I risultati ottenuti attraverso la simulazione sono stati confrontati con dati analitici e risultati presenti in letteratura. La tesi si sviluppa esponendo, nei primi capitoli la parte teorica riguardante flussi turbolenti e modelli risolutivi delle equazioni di Navier Stokes, e nei capitoli finali l’implementazione dei modelli e i risultati ottenuti durante la validazione.