Active control and drag reduction in turbulent wall flows
Active control and drag reduction in turbulent wall flows
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
<strong>Active</strong> <strong>control</strong> <strong>and</strong> <strong>drag</strong> <strong>reduction</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>turbulent</strong> <strong>wall</strong> <strong>flows</strong><br />
Fulvio Mart<strong>in</strong>elli 1 Maurizio Quadrio 1 Paolo Luch<strong>in</strong>i 2<br />
(1) Dipartimento Ing. Aerospaziale, Politecnico di Milano<br />
(2) Dipartimento Ing. Meccanica, Università di Salerno<br />
CAPI 2007 - Milano<br />
15-16 Ottobre 2007<br />
university-logo<br />
Fulvio Mart<strong>in</strong>elli, Maurizio Quadrio, Paolo Luch<strong>in</strong>i DIA PoliMi<br />
<strong>Active</strong> <strong>control</strong> <strong>and</strong> <strong>drag</strong> <strong>reduction</strong> <strong>in</strong> <strong>turbulent</strong> <strong>wall</strong> <strong>flows</strong>
Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Sommario<br />
Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo<br />
Problema modello e approccio<br />
Risultati e conclusioni<br />
university-logo<br />
Fulvio Mart<strong>in</strong>elli, Maurizio Quadrio, Paolo Luch<strong>in</strong>i DIA PoliMi<br />
<strong>Active</strong> <strong>control</strong> <strong>and</strong> <strong>drag</strong> <strong>reduction</strong> <strong>in</strong> <strong>turbulent</strong> <strong>wall</strong> <strong>flows</strong>
Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Cos’è la turbolenza?<br />
university-logo<br />
Fulvio Mart<strong>in</strong>elli, Maurizio Quadrio, Paolo Luch<strong>in</strong>i DIA PoliMi<br />
<strong>Active</strong> <strong>control</strong> <strong>and</strong> <strong>drag</strong> <strong>reduction</strong> <strong>in</strong> <strong>turbulent</strong> <strong>wall</strong> <strong>flows</strong>
Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Cos’è la turbolenza?<br />
university-logo<br />
Fulvio Mart<strong>in</strong>elli, Maurizio Quadrio, Paolo Luch<strong>in</strong>i DIA PoliMi<br />
<strong>Active</strong> <strong>control</strong> <strong>and</strong> <strong>drag</strong> <strong>reduction</strong> <strong>in</strong> <strong>turbulent</strong> <strong>wall</strong> <strong>flows</strong>
Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Caratteristiche dei flussi turbolenti<br />
◮ Assenza di separazione delle scale<br />
◮ Tridimensionalità<br />
◮ Non stazionarietà<br />
◮ D<strong>in</strong>amica caotica<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Turbolenza e tecnologia<br />
I flussi turbolenti sono dovunque!<br />
◮ Flusso d’aria su aeroplani, automobili, motocicli,<br />
imbarcazioni<br />
◮ Flusso d’acqua su sottomar<strong>in</strong>i, imbarcazioni<br />
◮ Processi di combustione<br />
◮ Oleodotti e gasdotti<br />
◮ Flusso nei vasi sanguigni e nelle alte vie respiratorie<br />
◮ Atmosfera<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Turbolenza di parete<br />
Tutti i flussi di <strong>in</strong>teresse applicativo si sviluppano vic<strong>in</strong>o a corpi<br />
solidi (pareti).<br />
La presenza della parete è il motore della turbolenza. È<br />
fondamentale studiare la d<strong>in</strong>amica dei flussi turbolenti <strong>in</strong><br />
prossimità di pareti solide.<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Controllo della turbolenza<br />
Perché?<br />
◮ Riduzione dei consumi nei trasporti aerei e mar<strong>in</strong>i<br />
◮ Riduzione di emissioni <strong>in</strong>qu<strong>in</strong>anti nei processi di<br />
combustione<br />
◮ Aumento dell’efficienza <strong>in</strong> processi <strong>in</strong>dustriali e<br />
farmaceutici<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Ne vale la pena?<br />
Un esempio: aereo da trasporto civile<br />
◮ Riduzione del 10% della resistenza = aumento del 40% del<br />
marg<strong>in</strong>e di profitto della compagnia aerea.<br />
◮ Consider<strong>and</strong>o l’<strong>in</strong>tera flotta civile mondiale: risparmio di ≈<br />
7 miliardi di dollari/anno<br />
Fonti: Scientific American (1997) & U.S. National Committee on<br />
Theoretical <strong>and</strong> Applied Mechanics, 2006<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Controllo della turbolenza<br />
Tecniche passive<br />
◮ Non richiede <strong>in</strong>gresso di<br />
energia nel sistema<br />
◮ Tipicamente: progetto<br />
appropriato di forme e<br />
superfici<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Controllo della turbolenza<br />
Tecniche attive <strong>in</strong> anello aperto<br />
◮ Richiedono una spesa energetica (attuatori)<br />
◮ Esempio: aspirazione dello strato limite su profili alari<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Controllo della turbolenza<br />
Tecniche attive <strong>in</strong> retroazione<br />
◮ Richiedono una spesa energetica (attuatori)<br />
◮ Richiedono misure (sensori)<br />
◮ Richiedono una legge di <strong>control</strong>lo<br />
◮ Esempio: soffiamento - aspirazione a parete sulla base di<br />
misure di attrito<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Controllo <strong>in</strong> retroazione di flussi turbolenti<br />
U<br />
flow channel<br />
u y<br />
k(t,x,z)<br />
actuators<br />
sensors<br />
<strong>control</strong> kernel<br />
U<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Stato dell’arte<br />
◮ Approccio esclusivamente computazionale<br />
◮ Soluzione numerica diretta delle equazioni di<br />
Navier-Stokes (no modelli di turbolenza!)<br />
◮ Utilizzo della teoria del <strong>control</strong>lo ottimo (sviluppata<br />
nell’ambito della meccanica e dell’elettronica)<br />
Gruppi di ricerca co<strong>in</strong>volti:<br />
◮ Politecnico di Milano - Università di Salerno (Prof. M.<br />
Quadrio, Prof. P. Luch<strong>in</strong>i)<br />
◮ University of California, San Diego (Prof. T. Bewley)<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Simulazione numerica diretta (DNS) della turbolenza<br />
di parete<br />
◮ Problema modello: flusso turbolento fra due lastre piane<br />
◮ Geometria semplice: simulazioni accurate a Reynolds<br />
moderati<br />
◮ Nessun modello di turbolenza: cent<strong>in</strong>aia di milioni di gradi<br />
di libertà<br />
◮ Formulazione: Quadrio & Luch<strong>in</strong>i (JCP, 2006)<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Progetto dei sistemi di <strong>control</strong>lo<br />
◮ Tecnica di <strong>control</strong>lo: soffiamento-aspirazione a parete<br />
◮ Progetto: basato sulla teoria del <strong>control</strong>lo ottimo l<strong>in</strong>eare<br />
◮ Anche il progetto del <strong>control</strong>lore richiede supercomputers!<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Personal Supercomputer<br />
◮ Cluster ottimizzato per la<br />
DNS nel canale piano e<br />
nel tubo circolare<br />
◮ 268 dual-CPU dual-core<br />
processori AMD Opteron<br />
◮ Network<strong>in</strong>g hardare<br />
economico da 1 Gb<br />
◮ 300 GB di memoria<br />
complessiva<br />
◮ 40 TB di spazio disco<br />
◮ Potenza di picco: 2.6<br />
TFlops<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Personal Supercomputer<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Personal Supercomputer<br />
Confronto alternativo<br />
. Earth Simulator Personal Supercomputer<br />
Efficienza energetica 3 Flops/Watt 70 Flops/Watt<br />
Efficienza economica 1 MFlops / euro 10 MFlops / euro<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Simulazioni effettuate<br />
Controllo di tipo full-state<br />
Re N<br />
2200 ≈ 10 6<br />
5000 ≈ 10 7<br />
10500 ≈ 10 8<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Progetto del <strong>control</strong>lore<br />
Nucleo di convoluzione<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Effetto del <strong>control</strong>lo sulle strutture turbolente<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Riduzione della resistenza<br />
τ con / τ ref<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
Re = 2200<br />
Re = 5000<br />
Re = 10500<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
t<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Riduzione dell’energia c<strong>in</strong>etica turbolenta<br />
E con / E ref<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
Re = 2200<br />
Re = 5000<br />
Re = 10500<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
t<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Effetto Re<br />
% Reduction<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
Drag<br />
Energy<br />
20<br />
2000 4000 6000 8000 10000 12000<br />
Re<br />
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Introduzione: turbolenza e <strong>control</strong>lo Problema modello e approccio Risultati e conclusioni<br />
Conclusioni e prospettive<br />
◮ Interesse <strong>in</strong>gegneristico nel <strong>control</strong>lo di flussi turbolenti<br />
◮ Il <strong>control</strong>lo attivo <strong>in</strong> retroazione è una tecnica promettente<br />
◮ Le prestazioni sono buone anche a Re moderati<br />
◮ Necessità (oggi) di supercalcolatori<br />
◮ Domani?<br />
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![[12.06.12] Coordinamento di Aeroporto 2012](https://img.yumpu.com/16337305/1/190x143/120612-coordinamento-di-aeroporto-2012.jpg?quality=85)
![[11.06.10] Lo strato limite turbolento](https://img.yumpu.com/16319523/1/184x260/110610-lo-strato-limite-turbolento.jpg?quality=85)
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