Metodi numerici per la generazione di turbolenza in ingresso a simulazioni Large Eddy Simulation

Il presente lavoro di tesi presenta una caratterizzazione sistematica della turbolenza generata da un metodo Synthetic Eddy Method (SEM) basato su vortici circolari tridimensionali, implementato nel codice LES T-Flows in combinazione con il modello di turbolenza Tensorial Viscosity Model (TVM). L’obiettivo è quantificare le relazioni tra i parametri di controllo del metodo e le statistiche turbolente risultanti, fornendo un riferimento per l’utilizzo consapevole della tecnica in applicazioni CFD. È stata condotta una campagna numerica di 24 simulazioni LES in un dominio vuoto con condizioni periodiche nelle direzioni trasversali, coprendo l’intero spazio fattoriale dei tre parametri liberi del metodo: diametro delle strutture vorticose D ∈ {0.045, 0.060, 0.090, 0.120}, intensità I ∈ {1, 2, 3} e frequenza di rinnovo f ∈ {Low, High}. Il post-processing è stato condotto mediante un codice Fortran sviluppato appositamente, che implementa il calcolo delle autocorrelazioni spaziali, delle scale integrali trasversali con metodo di integrazione diretta e threshold adattivo, e delle leggi di decadimento dell’intensità turbolenta. I risultati mostrano che il diametro nominale D controlla direttamente la scala spaziale della turbolenza generata: al piano di forcing, il primo zero del profilo di autocorrelazione trasversale cade in prossimità di D/2 per tutti i casi, confermando che la geometria del vortice sintetico impone la scala di decorrelazione iniziale. Le scale integrali trasversali ILS crescono monotonicamente downstream, con valori nella regione sviluppata compresi tra 0.038–0.052 per D = 0.045 e 0.057–0.059 per D = 0.120. Il parametro I agisce principalmente come amplificatore energetico, con relazioni TI ∝ I e k ∝ I 2 verificate per tutti i diametri e regimi di frequenza, mentre il disaccoppiamento tra energia e scala è solo parziale: le ILS mostrano una dipendenza residua da I dell’ordine del 10–20%. L’effetto della frequenza f risulta meno immediato da interpretare: f = High produce per ogni caso livelli energetici superiori a f = Low con amplificazione massima per D = 0.045 (fattore ∼2× nel picco di TI). Sulle scale integrali, l’effetto di f dipende congiuntamente da D e I: per diametri piccoli f = High produce ILSv maggiori per tutto il dominio, mentre per D ≥ 0.090 si osserva un’inversione di comportamento nella regione sviluppata avanzata, specifica dei casi I = 2. Il campo turbolento presenta anisotropia persistente in tutta la lunghezza del dominio: il parametro scalare A parte da ≈ −1 al forcing e si stabilizza tra −0.10 e −0.20 nella regione finale senza mai raggiungere l’isotropia. Il decadimento dell’intensità turbolenta segue una legge di potenza TI ∝ (x − x0)^n con esponente n che dipende sistematicamente da tutti e tre i parametri: |n| cresce con I, con D e passando da f = Low a f = High, con valori nell’intervallo [−0.48, −0.84] rispetto al riferimento isotropo n = −0.5. I risultati costituiscono un database di riferimento per l’utilizzo del metodo SEM in configurazioni complesse, documentando le dipendenze osservate in modo da supportare la selezione informata dei parametri in funzione delle caratteristiche turbolente target richieste dalle applicazioni industriali.