Active control and drag reduction in turbulent wall flows · 2020. 1. 24. · Meccanica,...

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Introduzione: turbolenza e controllo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni

Active control and drag reductionin turbulent wall flows

Fulvio Martinelli1 Maurizio Quadrio1 Paolo Luchini2

(1) Dipartimento Ing. Aerospaziale, Politecnico di Milano(2) Dipartimento Ing. Meccanica, Università di Salerno

CAPI 2007 - Milano15-16 Ottobre 2007

Fulvio Martinelli, Maurizio Quadrio, Paolo Luchini DIA PoliMi

Active control and drag reduction in turbulent wall flows

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Sommario

Introduzione: turbolenza e controllo

Problema modello e approccio

Risultati e conclusioni



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Cos’è la turbolenza?



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Caratteristiche dei flussi turbolenti

I Assenza di separazione delle scaleI TridimensionalitàI Non stazionarietàI Dinamica caotica



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Turbolenza e tecnologia

I flussi turbolenti sono dovunque!

I Flusso d’aria su aeroplani, automobili, motocicli,imbarcazioni

I Flusso d’acqua su sottomarini, imbarcazioniI Processi di combustioneI Oleodotti e gasdottiI Flusso nei vasi sanguigni e nelle alte vie respiratorieI Atmosfera



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Turbolenza di parete

Tutti i flussi di interesse applicativo si sviluppano vicino a corpisolidi (pareti).

La presenza della parete è il motore della turbolenza. Èfondamentale studiare la dinamica dei flussi turbolenti inprossimità di pareti solide.



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Controllo della turbolenzaPerché?

I Riduzione dei consumi nei trasporti aerei e mariniI Riduzione di emissioni inquinanti nei processi di

combustioneI Aumento dell’efficienza in processi industriali e

farmaceutici



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Ne vale la pena?

Un esempio: aereo da trasporto civile

I Riduzione del 10% della resistenza = aumento del 40% delmargine di profitto della compagnia aerea.

I Considerando l’intera flotta civile mondiale: risparmio di ≈7 miliardi di dollari/anno

Fonti: Scientific American (1997) & U.S. National Committee onTheoretical and Applied Mechanics, 2006



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Controllo della turbolenzaTecniche passive

I Non richiede ingresso dienergia nel sistema

I Tipicamente: progettoappropriato di forme esuperfici



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Controllo della turbolenzaTecniche attive in anello aperto

I Richiedono una spesa energetica (attuatori)I Esempio: aspirazione dello strato limite su profili alari



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Controllo della turbolenzaTecniche attive in retroazione

I Richiedono una spesa energetica (attuatori)I Richiedono misure (sensori)I Richiedono una legge di controlloI Esempio: soffiamento - aspirazione a parete sulla base di

misure di attrito



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Controllo in retroazione di flussi turbolenti

U U

sensors

control kernel

flow channel

actuators

u y

k(t,x,z)



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Stato dell’arte

I Approccio esclusivamente computazionaleI Soluzione numerica diretta delle equazioni di

Navier-Stokes (no modelli di turbolenza!)I Utilizzo della teoria del controllo ottimo (sviluppata

nell’ambito della meccanica e dell’elettronica)

Gruppi di ricerca coinvolti:I Politecnico di Milano - Università di Salerno (Prof. M.

Quadrio, Prof. P. Luchini)I University of California, San Diego (Prof. T. Bewley)



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Simulazione numerica diretta (DNS) della turbolenzadi parete

I Problema modello: flusso turbolento fra due lastre pianeI Geometria semplice: simulazioni accurate a Reynolds

moderatiI Nessun modello di turbolenza: centinaia di milioni di gradi

di libertàI Formulazione: Quadrio & Luchini (JCP, 2006)



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Progetto dei sistemi di controllo

I Tecnica di controllo: soffiamento-aspirazione a pareteI Progetto: basato sulla teoria del controllo ottimo lineareI Anche il progetto del controllore richiede supercomputers!



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Personal Supercomputer

I Cluster ottimizzato per laDNS nel canale piano enel tubo circolare

I 268 dual-CPU dual-coreprocessori AMD Opteron

I Networking hardareeconomico da 1 Gb

I 300 GB di memoriacomplessiva

I 40 TB di spazio discoI Potenza di picco: 2.6

TFlops



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Confronto alternativo

. Earth Simulator Personal SupercomputerEfficienza energetica 3 Flops/Watt 70 Flops/WattEfficienza economica 1 MFlops / euro 10 MFlops / euro



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Simulazioni effettuate

Controllo di tipo full-state

Re N2200 ≈ 1065000 ≈ 10710500 ≈ 108



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Progetto del controlloreNucleo di convoluzione



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Effetto del controllo sulle strutture turbolente



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Riduzione della resistenza

0 50 100 1500

0.5

1

1.5

t

τ con

/ τ re

f

Re = 2200Re = 5000Re = 10500

Riduzione di circa il 25% dell’attrito a parete!



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Riduzione dell’energia cinetica turbolenta

0 50 100 1500

0.5

1

1.5

t

Eco

n / E

ref

Re = 2200Re = 5000Re = 10500



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Effetto Re

2000 4000 6000 8000 10000 1200020

25

30

35

40

45

50

Re

% R

educ

tion

DragEnergy



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Conclusioni e prospettive

I Interesse ingegneristico nel controllo di flussi turbolentiI Il controllo attivo in retroazione è una tecnica promettenteI Le prestazioni sono buone anche a Re moderatiI Necessità (oggi) di supercalcolatoriI Domani?



Introduzione: turbolenza e controlloProblema modello e approccioRisultati e conclusioni

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