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Separazione e riattacco: perché è così difficile prevederli?

Su uno spigolo vivo il punto di separazione è fissato e facile da prevedere. Su superficie liscia decide il modello di turbolenza — e lì comincia l'errore.

La separazione è di due tipi, e la loro difficoltà è del tutto diversa.

Separazione imposta dalla geometria. Su uno spigolo vivo il flusso non ha scelta; la posizione è fissata dalla geometria. La scelta del modello incide poco.

Separazione da gradiente di pressione. Su una superficie piana o dolcemente curva (un diffusore, il dorso di una pala, la coda di un veicolo), dove inizia la separazione è fissato da quanto bene lo strato limite resiste al gradiente di pressione avverso — cioè dal modello di turbolenza. Qui la scelta del modello cambia direttamente il risultato.

Perché k-ε la vede tardi

Il k-ε standard sovrastima la viscosità turbolenta sotto un gradiente di pressione avverso. Un'alta viscosità fa sembrare lo strato limite più tenace di quanto sia: il flusso resta aderente, la separazione inizia tardi o non compare affatto. Il vantaggio di SST su questo problema viene proprio dal limitare lo sforzo di taglio [1]. Si veda la nota sul modello di turbolenza.

Riattacco: la grandezza trascurata

Il flusso separato si riattacca alla superficie qualche distanza più in là, e lo scambio termico raggiunge il massimo al punto di riattacco — spesso parecchie volte il valore indisturbato. Nelle custodie elettroniche, nei getti impattanti e nei bruschi allargamenti, è lì che si trova il punto caldo o freddo.

La griglia deve risolvere l'interno della bolla di separazione con abbastanza celle; una griglia che attraversa la bolla in tre o cinque celle manca sia la posizione del riattacco sia il picco di scambio termico.

Dipendenza dal tempo

Una regione di separazione è raramente stazionaria: la bolla cresce e si riduce, il punto di riattacco oscilla. Una soluzione stazionaria dà una media e spesso fatica a convergere. Se si sopprime l'oscillazione, si cancella la fisica. Si vedano la nota sulla convergenza e la nota su RANS/DES/LES.

Validazione

In uno studio in cui domina la separazione, un solo modello non basta. Eseguirne almeno due e riportare di quanto si sposta il punto di separazione è la misura più onesta di quanto il risultato sia affidabile.

Riferimenti

  1. Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
  2. Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362

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