Simulazioni ad alta fedeltà dell'effetto della rugosità su uno strato limite turbolento supersonico

This thesis aims to provide an effective modeling of surface roughness and its effects on compressible flows, with a particular focus on the study of drag. Specifically, I studied surfaces with defined roughness characteristics to observe how their parameters influence the flow and drag forces. I focused on geometries such as aligned cubes, staggered cubes, rotated cubes and diamond-shape elements, calculating roughness parameters like frontal solidity, effective slope and root-mean-square roughness height. These coefficients were used to compute the (k_s / k) ratio and the velocity shift (Delta U^+) caused by roughness, which was then compared to data from Direct Numerical Simulations (DNS) with the same geometries, performed at a Mach number of 2. The results show that surface roughness significantly alters the flow near the wall and that different roughness geometries lead to variations in flow behavior. These studies can provide a better understanding of drag and potentially contribute to the development of more effective solutions for drag reduction, which is crucial for improving the performance of high-speed applications such as spacecraft reentry and supersonic vehicles.

Questa tesi si propone di fornire una modellizzazione efficace della rugosità superficiale e dei suoi effetti sui flussi comprimibili, con un'attenzione particolare allo studio della resistenza aerodinamica. In particolare, ho analizzato superfici con caratteristiche di rugosità definite per osservare come i loro parametri influenzino il flusso e le forze di resistenza. Mi sono concentrata su geometrie come cubi allineati, cubi sfalsati, cubi ruotati ed elementi a forma di diamante, calcolando parametri di rugosità come la solidità frontale, la pendenza efficace e l'altezza di rugosità quadratica media (root-mean-square). Questi coefficienti sono stati utilizzati per determinare il rapporto (k_s/k) e la variazione di velocità (Delta U^+) causata dalla rugosità, confrontandoli poi con i dati ottenuti tramite Simulazioni Numeriche Dirette (DNS) sulle stesse geometrie, eseguite a un numero di Mach pari a 2. I risultati mostrano che la rugosità superficiale altera significativamente il flusso vicino alla parete e che diverse geometrie di rugosità determinano variazioni nel comportamento del flusso. Questi studi possono contribuire a una migliore comprensione della resistenza aerodinamica e, potenzialmente, allo sviluppo di soluzioni più efficaci per la sua riduzione, aspetto fondamentale per migliorare le prestazioni di applicazioni ad alta velocità, come il rientro atmosferico dei veicoli spaziali e i velivoli supersonici.