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Turbulent drag reduction over curved walls
Get PDFThis work studies the effects of skin-friction drag reduction in a turbulent flow over a curved wall, with a view to understanding the relationship between the reduction of friction and changes to the total aerodynamic drag. Direct numerical simulations are carried out for an incompressible turbulent flow in a channel where one wall has a small bump; two bump geometries are considered, that produce mildly separated and attached flows. Friction drag reduction is achieved by applying streamwise-travelling waves of spanwise velocity (StTW). The local friction reduction produced by the StTW is found to vary along the curved wall, leading to a global friction reduction that, for the cases studied, is up to 10 % larger than that obtained in the plane wall case. Moreover, the modified skin friction induces non-negligible changes of pressure drag, which is favourably affected by StTW and globally reduces by up to 10 %. The net power saving, accounting for the power required to create the StTW, is positive and, for the cases studied, is one half larger than the net saving of the planar case. The study suggests that reducing friction at the surface of a body of complex shape induces further effects, a simplistic evaluation of which might lead to underestimating the total drag reduction
Direct numerical simulation of turbulent channel flow on Intel Xeon Phi (KNL) architecture
No full textLAUREA MAGISTRALEIn questo lavoro di tesi si è ottimizzata l’esecuzione della DNS di
una corrente turbolenta in un canale piano su un processore Intel Xeon Phi (anche noto come "Knights Landing", KNL). Quest’ultimo è basato su un’architettura introdotta nel 2016 ed è costituito da 64 CPU su un singolo chip. Nel corso della tesi sono state ottimizzate due diverse implementazioni della simulazione numerica, la prima scritta in
linguaggio CPL, la seconda in linguaggio Fortran. Le due si differenziano principalmente per la strategia usata per ripartire il carico di lavoro sulle diverse unità di calcolo.
I codici sono stati ottimizzati per una migliore performance su singola CPU, aggiungendo direttive per il compilatore che permettessero di migliorare il livello di vettorizzazione e modificando la disposizione delle variabili in memoria in modo da ridurre i tempi di accesso ai dati.
Per quanto riguarda l’esecuzione parallela, la versione CPL prevede due livelli complementari di parallelismo (memoria condivisa e memoria distribuita), dunque si è proceduto ad uno studio parametrico per determinare la migliore suddivisione delle risorse hardware quando sono utilizzati entrambi i tipi di parallelismo.
In Fortran invece era presente un unico livello di parallelismo (memoria distribuita) e per ottimizzare la performance su più core ne è stato introdotto un secondo livello (memoria condivisa) tramite la libreria OpenMP.
Infine si è confrontata la performance del codice Fortran ottimizzato su KnightsLanding con quella sul processore Intel Xeon E5-2697 v4 (Broadwell), soluzione multi-core per cui KNL rappresenta un concorrente diretto.This work explores the potential optimization of an existing code for the Direct Numerical Simulation (DNS) of a turbulent plane channel flow. Two implementations in different programming languages (CPL and Fortran) have been adapted to Intel Xeon Phi processor (Knights Landing), a platform with many integrated cores (MIC) and specialized vector hardware.
The purpose of this study is to provide an example of the performance attainable on
this processor, using a code that was originally conceived for a different architecture.
The code written for general-purpose computers can be run without recompilation on
Intel Xeon Phi, however adjustments are required to achieve a satisfactory performance
and to fully exploit the hardware resources of the processor. To this aim, different
optimization techniques, such as the addition of compiler directives and the modification
of the data layout in memory, are described and used.
The single-threaded performance of the two implementations is optimized and the
improvement is measured. The efficiency of the different parallelization methods in the
code is discussed and a second layer of parallelism is implemented in the Fortran version.
Finally, the code is tested also on Intel Xeon E5-2697 v4 (Broadwell) processor, providing a frame of reference to evaluate the performance of Knights Landing against multi-core architectures that are used in supercomputing centers, where KNL is gaining
acceptance
Skin friction turbulent drag reduction : a Lagrangian perspective
Get PDFLAUREA MAGISTRALEIn questo lavoro si indaga il meccanismo di riduzione di attrito ottenuto tramite tecniche a forzamento trasversale. Traccianti lagrangiani sono utilizzati in Direct Numerical Simulation (DNS) di canale piano turbolento per ottenere per la prima volta incontestabili evidenze di cambiamenti statistici in corrente con riduzione di resistenza. La nostra speranza è che questo cambiamento, essendo talmente evidente da essere qualitativamente non influenzato dal problema dell'adimensionalizzazione che solitamente affligge le comparazioni tra le due correnti (non controllata e a resistenza ridotta) con diversi numeri di Reynolds, conduca ad una comprensione fisica dei meccanismi di riduzione della resistenza.
In una prima parte della tesi, un codice DNS esistente è stato esteso con la capacità interagire accuratamente ed efficientemente (in termini di richiesta di memoria e costi computazionali) con particelle prive di massa. In una seconda parte, una corrente di canale piano a Re_b=3173 è considerata con e senza forzamento trasversale (la pura parete oscillante e la pura onda spaziale stazionaria) per evidenziare il forte effetto del forzamento sulle traiettorie dei traccianti. Quantità statistiche (alcune delle quali sono introdotte appositamente per questo scopo) sono usate per descrivere tali differenze, ed è stata ottenuta prova evidente di diffusione delle particelle fortemente ridotta in un sottile strato vicino a parete. Lo spessore di questo strato è stato misurato e confrontato con lo spessore del Generalized Stokes Layer (GSL), noto per essere quantitativamente correlato con il valore di riduzione di resistenza.
Le statistiche Lagrangiane promettono di essere la chiave per comprendere il meccanismo fisico con il quale il forzamento trasversale interagisce con la turbolenza vicino a parete per produrre livelli ridotti di resistenza di attrito.This work addresses the mechanism of turbulent skin-friction drag reduction obtained through spanwise forcing techniques. Lagrangian tracers in a direct numerical simulation (DNS) of a turbulent channel flow are exploited to provide for the first time unquestionable evidence of statistical changes in the flow with drag reduction. Our hope is that such changes, being so large as to be qualitatively unaffected by the subtle scaling problems that typically plague the comparison between two flows (the uncontrolled flow and the drag-reduced one) with different Reynolds number, will provide a lead to the physical understanding of the drag reduction mechanism.
In a first part of the thesis, an existing DNS code is augmented with the capability of dealing accurately and efficiently (in terms of memory requirement and computational cost) with massless particles. In a second part, a turbulent channel flow at Re_b=3173 is considered with and without spanwise forcing (the purely temporal wall oscillation and the purely spatial stationary wave) to highlight the strong effect of the forcing on the tracers' trajectories. Statistical quantities (some of which are introduced on purpose) are used to describe such differences, and evidence is obtained for the highly reduced particle diffusion in a thin near-wall layer. The thickness of this layer is measured and compared to that of the Generalized Stokes Layer (GSL), known to bear quantitative relationship with the amount of drag reduction.
Lagrangian statistics promise to be key to understand the key physical mechanism by which the spanwise forcing interact with near-wall turbulence to yield reduced levels of friction drag
Drag Reduction Systems towards aeronautical applications
Get PDFDOTTORATOQuesta Tesi cerca principalmente di rispondere alla seguente domanda: Come si traduce la riduzione di attrito turbolento misurata durante esperimenti di laboratorio condotti su una lastra piana e bassi numeri di Reynolds, nel possibile guadagno per un aereo da trasporto?
La prima parte della Tesi affronta il problema concentrandosi su una specifica strategia di riduzione di attrito, ossia le onde di velocità trasversale, viaggianti in direzione longitudinale (StTW). Un’analisi preliminare basata sulle equazioni di Navier-Stokes mediate tramite media di Reynolds (RANS) stima il guadagno potenziale della tecnica StTW applicata sulla superficie esterna di un aereo commerciale in volo transonico. Si osserva che la StTW modifica la posizione dell’onda d’urto ed aumenta la portanza, in modo tale che l’interazione tra la riduzione di attrito e la generazione di forze aerodinamiche risulta non ovvia e potenzialmente benefica.
Questo indizio è stato in seguito investigato in maniera più rigorosa tramite simulazioni numeriche dirette (DNS) di una corrente turbolenta all’interno di un canale, dove un rigonfiamento della parete produce una componente di resistenza di pressione. Ancora una volta, la StTW interagisce con la
distribuzione di pressione, e la resistenza di pressione è significativamente ridotta. Inoltre, la resistenza di attrito è ridotta di una quantità che supera la riduzione di attrito misurata su una parete piana. Globalmente, questo risultato conferma che studiare le tecniche di riduzione di resistenza
d’attrito in geometrie semplici può nascondere effetti potenzialmente importanti.
Questa interazione tra StTW e le componenti della forza aerodinamica è studiata in seguito tramite DNS comprimibili attorno ad un segmento di ala in volo transonico. I risultati qualitativi ottenuti nello studio preliminare basato su simulazioni RANS vengono confermati. Infatti, la StTW interagisce con la posizione dell’onda d’urto, e conseguentemente aumenta la portanza e l’efficienza aerodinamica, in modo tale che il guadagno globale dovuto alla StTW supera abbondantemente le aspettative. Questo risultato è particolarmente interessante, specialmente perché è abbastanza
generale da valere per ogni tecnica di riduzione di attrito, che sia attiva o passiva.
La seconda parte della Tesi si focalizza su una tecnica di riduzione d’attrito relativamente nuova, basata su soffiaggio instazionario e non uniforme. Simulazioni numeriche dirette sono state condotte per riprodurre accuratamente una campagna sperimentale attualmente in corso, portando alla conclusione che sia la non uniformità che l’instazionarietà dell’attuatore giocano un ruolo trascurabile.
Infine è stato affrontato il problema teorico della predizione di attrito su una geometria con variazioni di pendenza moderate. Alcune teorie recenti hanno esplicitato formule analitiche della funzione di trasferimento, che permette di predire la distribuzione di attrito a partire dalla conoscenza della pendenza della parete. L’accuratezza di queste formule è valutata mettendo a confronto la predizione di attrito con risultati ottenuti tramite simulazioni numeriche, osservando un buon accordo sia in regime laminare che in regime turbolento.This Thesis mainly addresses the question: How does turbulent friction reduction measured in a lab experiment at low Reynolds numbers over a flat wall translate into potential savings for a commercial aircraft?
The first part tackles the problem by focusing on a specific drag reduction strategy, namely the streamwise travelling waves of spanwise velocity (StTW). A preliminary investigation based on the Reynolds-averaged-Navier-Stokes equations (RANS) estimates the potential benefit of StTW applied over the external surface of a commercial aircraft in transonic flight. It is found that StTW modifies the shock-wave position and increase lift, so that the interaction between friction reduction and the generation of aerodynamic forces is complex and potentially beneficial.
This suggestion is then more rigorously assessed via direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow, where a bump on the wall produces a pressure component of drag. Once again, StTW interacts with the pressure distribution, and pressure drag is reduced significantly. Moreover, the friction drag is reduced by an amount that overcomes the one obtained over a flat wall. Overall, this indicates that studying skin-friction drag reduction in simple geometries may hide potentially important effects.
The interaction between StTW and the components of the aerodynamic force is then studied via a compressible DNS for a wing slab in transonic flight. The qualitative results found in the preliminary RANS-based study are confirmed. Indeed, StTW interferes with the shock-wave position, consequently increasing lift and the overall aerodynamic efficiency, so that the global performance of StTW largely overcomes the expectations. This is very interesting, especially because this result is general enough to hold for any (active or passive) friction reduction technique.
The second part of the Thesis shifts the focus to a relatively new friction reduction strategy based on non-uniform unsteady blowing. Direct numerical simulations are designed and conducted to accurately reproduce an ongoing experimental investigation, and lead to conclude that the non-uniformity and unsteadiness of the blowing jets play a minor role.
Finally, the fundamental problem of friction prediction over smoothly varying walls is discussed. Recent theories have put forward analytical formulas for the transfer function that translates the wall slope into the friction distribution. Their accuracy is assessed by comparing the predicted friction distribution with numerical results, denoting an interestingly good agreement in both the laminar and the turbulent regime.DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI32VIGEVANO, LUIGIMASARATI, PIERANGEL
Active turbulence control through wall deformation in channel flow
Get PDFLAUREA MAGISTRALEQuesto studio è volto ad investigare, mediante la simulazione numerica diretta, uno schema di controllo attivo, ispirato al controllo opposto (opposition control), ma che, applicato alla geometria del canale piano turbolento, sia realizzato attraverso la deformazione delle pareti del canale stesso. Lo scopo ultimo è quello di ottenere un risparmio netto di potenza immessa per sostenere il flusso mantenendo la portata costante. Lo schema di controllo sviluppato è retro-azionato, lineare ad azione proporzionale-integrale-differenziale (PID), nel quale il punto di controllo può essere posizionato, eventualmente, a monte del punto di attuazione. La complessità della forma della parete ottenuta è superata grazie all’utilizzo di un metodo a confini immersi (immersed boundary) che rende la generazione della griglia di calcolo banale ed eseguita una volta per tutte all’inizio di ogni simulazione. Un risparmio netto di potenza è stato ottenuto per molteplici combinazioni differenti di parametri, il che indica un’ottima efficienza e stabilità dello schema di controllo;
oltretutto, per alcuni gruppi di parametri, è stata ottenuta una significativa riduzione
della potenza totale immessa. È stato dimostrato che lo schema di controllo modifica
profondamente il comportamento del flusso nella regione più vicina a parete mentre,
viceversa, ha un effetto minimo o nullo nella regione centrale del canale. Le flut-
tuazioni di velocità e lo sforzo di Reynolds, così come la produzione di energia cinetica
turbolenta, sono ridotte rispetto al canale non controllato. In più si è osservato uno
spostamento delle statistiche delle quantità turbolente verso il centro del canale.This study is aimed to investigate a linear proportional-integral-differential (PID) feedback control using, eventually, an upstream sensor with the purpose of a net power saving in a turbulent channel flow at Re_tau = 180. Direct numerical simulations are performed analyzing the variation of the net power saving rate respect to the proportional and integral terms, and the streamwise and z-coordinate of the sensor location. Furthermore, selective control, capable of counteracting only sweep or only ejection events, is briefly examined. The resulting complexity of the wall shape is overcome with the use of an immersed boundary method, which makes the mesh generation trivial and done once at the beginning of each simulation. A net power saving rate is achieved for many different combinations of parameters indicating good effectiveness and stability of the control scheme; moreover, remarkable power saving is obtained under some sets of parameters (≈ 20%). The control profoundly modifies the near-wall flow behavior whereas, on the contrary, it has minimal effect in the outer region; the velocity fluctuations and the Reynolds shear stress, as well as the production of turbulent kinetic energy, are reduced. Besides, an outward shift of turbulence statistics in the controlled flow is observed
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
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