Simulazioni numeriche di flussi turbolenti non stazionari in geometrie complesse

The modeling of turbulent flows in complex geometries represents a significant challenge in computational fluid dynamics. One of the main issues concerns the representation of the geometry within the computational domain. The main objective of this thesis is the development of a numerical method that implements a Signed Distance Field for the representation of geometry in the computational domain, combined with an Immersed Boundary Method to simulate the interaction of the geometry with the flow, and the simulation of turbulent flows using a wall-modeled Large Eddy Simulation. The numerical method is based on the CaNS (Canonical Navier-Stokes) solver, a numerical method for fast and parallelizable simulations of turbulent flows. The numerical method is validated through two reference cases: the flow over a cylinder, a two-dimensional case, and the flow over a sphere, a three-dimensional extension of the former. The comparison is carried out by calculating the drag coefficient as a function of the Reynolds number and the size of the recirculation zone generated by the geometry. The method is then applied to several complex geometries to illustrate its potential.

La modellazione di flussi turbolenti in geometrie complesse rappresenta una sfida importante nell’ambito della fluidodinamica computazionale. Una delle problematiche principali riguarda la rappresentazione della geometria all’interno del dominio computazionale. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è lo sviluppo di un metodo numerico che implementi un Signed Distance Field per la rappresentazione della geometria nel dominio di calcolo, in combinazione con una tecnica Immersed Boundary Method per simulare l’interazione della geometria con il flusso, e la simulazione dei flussi turbolenti con una Large Eddy Simulation modellata a parete. Alla base del codice sviluppato vi è il solutore CaNS (Canonical Navier-Stokes), un metodo numerico per simulazioni rapide e parallelizzabili di flussi turbolenti. Il metodo numerico viene validato attraverso due casi di riferimento: il flusso su cilindro, caso bidimensionale, e il flusso su sfera, estensione tridimensionale del primo. Il confronto è effettuato attraverso il calcolo del coefficiente di drag al variare del numero di Reynolds e la dimensione della zona di ricircolo generata dalla geometria. Il metodo viene quindi applicato a diverse geometrie complesse per illustrarne le potenzialità.