Development and validation of an improved wall-function boundary condition for computational aerodynamics

La Fluidodinamica Computazionale (CFD) è un potente strumento, ampiamente diffuso nello sviluppo di progetti che coinvolgano il movimento di fluidi, in svariati ambiti. I solutori CFD in ambito industriale sono continuamente migliorati con l’intento di aumentare l’accuratezza e ridurre i costi computazionali delle simulazioni. I casi di flussi a parete sono particolarmente sensibili dato che la presenza di una superficie solida di interfaccia genera gradienti elevati in prossimità della parete. Risolvere opportunamente questi gradienti può risultare vincolante al fine di ottenere una soluzione consistente ma al contempo molto costosa in termini di raffinamento della griglia, e quindi di tempo computazionale. Le funzioni di parete sono ampiamente usate e offrono risparmi computazionali significanti nel caso di flussi a parete. La precedente funzione di parete implementata nel solutore M-Edge presentava performance basse in flussi complessi caratterizzati da fenomeni di forti gradienti di pressione, come la separazione. Una nuova formulazione è stata sviluppata e validata per modelli turbolenti k-omega e Spalart-Allmaras. Le simulazione di test sono partite da casi semplici e quasi-ideali (lamina piana 2D con gradiente di pressione nullo) e sono avanzate con casi e geometrie sempre più complessi (fighter generico 3D). Ogni caso è stato simulato implementando la funzione di parete con tre diversi modelli di turbolenza: il Menter SST, Menter BSL con una chiusura a EARSM e il modello a singola equazione di Spalart-Allmaras. I risultati hanno mostrato un generale miglioramento con la nuova funzione di parete nella risoluzione del flusso insieme a vincoli di griglia meno stringenti, convergenza dei residui più veloce e bassa e una generale riduzione dei tempi computazionali.