Experimental Investigation of a Turbulent Boundary Layer Flow over a Backward-Facing Ramp

Abstract

The extent of separated regions are difficult to interpret and one of the main causes of drops in aerodynamic performance. The ability to correctly predict turbulent separated flows is of high interest for numerous aerodynamic applications, as it is essential for defining the flight envelope of aircraft configurations. DNS studies are available only at very low Reynolds numbers, which makes experimental investigation necessary for an accurate evaluation of flow features and turbulent coherent structures. In pursuit of this, a three-dimensional, time-resolved experimental investigation of a turbulent boundary layer developing over a flat plate is conducted in the region downstream of a backwardfacing ramp. The 3D Lagrangian particle tracking technique Shake-The-Box, coupled with advanced data assimilation methods, is employed to provide a large amount of data. To this end, the aim of this study is to establish a database for validating statistical turbulence models within the context of Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. This would allow for the improvement of the currently long process of aircraft development and certification. Data are also processed to enhance the understanding of turbulence dynamics in free shear layers. A comprehensive dataset of flow statistics is proposed and interpreted through this study, with the potential for further investigations into pressure and vorticity fields. / L’estensione delle regioni di separazione è di difficile interpetazione, nonché una delle cause principali del calo delle prestazioni aerodinamiche. In generale, la possibilità di poter predire correttamente flussi turbolenti separati, risulta di grande interesse per numerose applicazioni aerodinamiche, in quanto necessaria per definire correttamente l’inviluppo di volo per differenti configurazioni di velivoli. Studi attraverso l’utilizzo delle DNS sono disponibili per numeri di Reynolds molto bassi, il che rende gli studi sperimentali necessari per una valutazione corretta delle caratteristiche di un flusso e delle strutture coerenti turbolente. A tal fine, è stato condotto uno studio sperimentale tridimensionale e risolto nel tempo su uno strato limite turbolento sviluppato su una lastra piana, nella regione a valle di uno scalino. La tecnica di tracciamento di particelle tridimensionale Shake-TheBox, integrata con metodi avanzati di assimilazione di dati, è stata scelta per ottenere una notevole quantità di dati. L’obiettivo di questo studio è quindi quello di realizzare un database utile alla validazione di modelli statistici di turbolenza nel contesto delle equazioni RANS, al fine di migliorare l’attuale lungo processo di sviluppo e certificazione aeronautica. Inoltre, i dati sono stati elaborati al fine di migliorare la comprensione della dinamica della turbolenza in flussi caratterizzati da shear layer libero. Questo lavoro presenta e interpreta i risultati ottenuti, offrendo la possibilità di ulteriori indagini sui campi di pressione e vorticità.