Laminar separation bubbles on the transitional flow around airfoils

Abstract

The purpose of this work is to apply the γ-Reθ turbulence model, which is one of the numerical methods of shear stress transport (SST) applicable to transient flow, to examine if it shows the expected laminar separation cells or bubbles. This condition is key in the way to guarantee that the numerical modeling of lift and drag forces in aerodynamic profiles is more faithful to corresponding experimental data. For this, several two-dimensional simulations implemented with OpenFOAM, a well-known Finite Volume Method (FVM) package, were carried out for a Reynolds number range between 1x104 and 5x105, with the airfoils NACA0012, SG6043 and S826, in which the laminar separation bubbles usually form. Numerical results of lift and drag coefficients show correct prediction of experimental results and error is reduced by 3% when compared to other simulations. In particular, adequate performance of the model is observed for regions close to or greater than the angle of attack for which the aerodynamic profile stalls. On the other hand, the geometric footprint of the flow simulated with this γ-Reθ transition SST model shows great improvement compared to previous studies regarding the formation of laminar separation bubbles, which in turn means better performance when calculating lift and drag coefficients. It is also concluded that laminar separation occurs in the three studied airfoils, being symmetric or asymmetric profiles.

El objetivo en este trabajo es comprobar si el uso del modelo de turbulencia γ-Reθ, que es parte de la familia de métodos numéricos de transporte de esfuerzo cortante (SST) aplicable a flujo transitorio, muestra las burbujas de separación laminar. Esta condición es clave en la ruta a garantizar que el modelado numérico de coeficientes de sustentación y arrastre en perfiles aerodinámicos sean más fieles a datos experimentales correspondientes. Para ello se llevaron a cabo varias simulaciones bidimensionales del flujo alrededor de los perfiles S826, SG6043 y NACA0012, implementadas en el paquete de método de volúmenes finitos OpenFAOM, en un ámbito de número de Reynolds entre 1x104 y 5x105, en el que es esperable la formación de burbujas de separación laminar. Los resultados numéricos de coeficientes de sustentación y arrastre, muestran una correcta predicción de los resultados experimentales y se reduce en un 3% el error ponderado promedio respecto a simulaciones de referencia. En particular, se observa un adecuado desempeño del modelo para regiones cercanas o superiores al ángulo de ataque para el cual el perfil aerodinámico entra en condición de pérdida aerodinámica. Por otra parte, la huella geométrica del flujo simulado con este modelo SST de transición γ-Reθ, muestra una notable mejoría respecto a estudios previos en cuanto a la formación de las burbujas de separación laminar, lo que se asocia con su superioridad en el cálculo de los coeficientes de sustentación y arrastre. Se concluye también que la separación laminar ocurre en los tres perfiles estudiados, siendo algunos simétricos y otros asimétricos.