dispositivi superficiali per la resistenza aerodinamica

XXII Concorso Nazionale “Ing. Giuseppe Pedriali” , Forlì 12 Aprile 2012 1

CICLoPECICLoPE

Dispositivi superficiali per la resistenza aerodinamica

Alessandro Talamelli1,2

J. H. M. Fransson2 e ..H. Alfredsson, L. Brandt, S. Camarri, C. Cossu, P. Proli, A. Rossetti, S.

Sattarzadeh, A. Segalini, S. Shahinfar, 1 Università di Bologna, Forlì, Italy 2 Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden


CICLoPECICLoPE

Ing. Giuseppe Pedriali (1867-1932)

• conseguì rapidamente una seconda laurea in ingegneria elettronica a Liegi, che gli consentì di trovare occupazione in qualità di ingegnere aggiunto presso Società Tranviaria di Bruxelles. Dopo soli quattro anni, nel 1897, ne divenne il direttore

• Nel 1903, all’indomani di un disastro tranviario a Parigi, che mostrò la inadeguatezza delle attrezzature metropolitane ivi esistenti, fu chiamato dalla Società parigina "Metropolitan" per la determinazione delle cause della sciagura e l’approntamento immediato di radicali rimedi.

• Alcuni anni dopo, fu alla guida della fusione e della ristrutturazione delle otto aziende tranviarie della città di Buenos Aires per conto della Compagnia Tranviaria Anglo-Argentina, di cui fu per oltre diciotto anni direttore generale e, infine, consigliere delegato

• Attività votata al miglioramento dell’EFFICIENZA e sicurezza del sistema di trasporto pubblico


CICLoPECICLoPE

Efficienza -> Consumi

• European Economic and Social Committee ha consigliato alla Commissione europea di aumentare il target di diminuzione delle emissioni portandolo al 25% con scadenza al 2020

• Nel (2050) si punta a diminuire gli inquinanti di una percentuale compresa tra l’80 e il 95%

• Per quanto riguarda i trasporti (pubblico e privato) l’obiettivo è di aumentare ogni anno del 2% l’efficienza nei consumi fino 2050;

Dopo Copenhagen 15 (2009)


CICLoPECICLoPE

Motivazioni

• Il trasporto è responsabile del 13% dell’emissione totale di CO2


CICLoPECICLoPE

Motivazioni

• In venti anni il prezzo del combustibile è aumentato del 400%


CICLoPECICLoPE

Quali strategie adottare ?

• Importanza della resistenza aerodinamica


CICLoPECICLoPE

La resistenza aerodinamica e i possibili risparmi

1% riduzione della resistenza

• 400.000 litri/anno per velivolo• 300.000 Euro di risparmio

• 5.000 kg in meno di sostanze inquinanti

Airbus A340

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e2/Lufthansa_A340-600_D-AIHF.jpg


CICLoPECICLoPE

Da cosa dipende la resistenza aerodinamica ?

• La resistenza è composta da due contributi fondamentali

RESISTENZA DI ATTRITO E RESISTENZA DI SCIA


CICLoPECICLoPE

Lo strato limite

• Lo strato limite delimita la porzione di fluido che scorre vicino alla superficie del corpo

• Lo strato limite evolve da uno stato di tipo laminare a uno di tipo turbolento• Il processo che descrive questo passaggio è denominata “transizione”

δδ


CICLoPECICLoPE

La transizione

• La transizione dipende dalla velocità e dalla intensità dei disturbi esterni


CICLoPECICLoPE

Corpi aerodinamici

• Un corpo aerodinamico è un corpo in cui lo strato limite lambisce l’intero corpo indipendentemente dal fatto che sia laminare o turbolento

• Un corpo aerodinamico è un corpo in cui prevale la resistenza di attrito


CICLoPECICLoPE

Corpi tozzi

• Un corpo tozzo è un corpo in cui lo strato limite separa prematuramente• Un corpo tozzo è un corpo in cui prevale la resistenza di scia


CICLoPECICLoPE

La scia in un corpo tozzo

• La resistenza di forma o di scia dipende dall’ampiezza di quest’ultima

• Uno strato limite turbolento separa più a valle generando una scia più piccola

E’ PREFERIBILE UNO STRATO LIMITE TURBOLENTO


CICLoPECICLoPE

Come ridurre la resistenza di un corpo tozzo ?

• Rendere lo strato limite turbolento• Alle velocità caratteristiche di questi corpi la resistenza viene ridotta

del 50%


CICLoPECICLoPE

Mezzi di trasporto con resistenza di attrito significativa


CICLoPECICLoPE

Come ridurre la resistenza di in un corpo aerodinamico ?

• Attrito laminare circa 10 volte inferiore a quello turbolento

RIDUZIONE DELL’ATTRITO TURBOLENTO


CICLoPECICLoPE

Riduzione dell’attrito turbolento

• E’ necessario caratterizzare tutte le strutture al suo interno• La simulazione numerica non è ancora in grado di fornire risultati

estendibili alle applicazioni industriali• Il CICLoPE


CICLoPECICLoPE

Una collaborazioneinternazionale

Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments

CICLoPECICLoPE

Strutture Europee• Cambridge U. (UK)• Imperial College (UK)• Trondheim (N)• Politecnico di Milano (I)• Tu Berlin (D)• Max Planck Institute (D)• CERN (CH)• TU Illmenau (D)

Strutture non europee• CalTech (US)• Princeton U. (US)• New Hampshire U.

(US)• Arizona State U. (US)• U. Melbourne (AU)• Shinshu U. (JP)• Nagoya U. (JP)

Partners• Bologna U. (I)• KTH Stockholm (S)• IIT Chicago (US)• EPFL Lausanne (CH)• ICTP Trieste (I)• Roma U. (I)


CICLoPECICLoPE

Il laboratorio


CICLoPECICLoPE

Il “Long Pipe”

• Lunghezza 120 metri• Diametro 90 cm • Camera di prova a pressione ambiente• Possibilità di utilizzare tecniche di misura “standard”


CICLoPECICLoPE

Riduzione della resistenza in un corpo aerodinamico


RITARDARE LA TRANSIZIONE


CICLoPECICLoPE

International Air Transport Association

• Si stima una diminuzione fino al 10-15 % nel consumo di combustibile


CICLoPECICLoPE

La transizione



CICLoPECICLoPE

Trattamenti superficiali

• Per limitare i disturbi le superfici devono essere più lisce possibili


CICLoPECICLoPE

Precedenti tentativi di riduzione della resistenza di attrito laminare

• Ali molto allungate e corde molto piccole (per aumentare la percentuale di superfice laminare)

• Necessità di aggiungere tiranti• Posizionamento dei motori in coda

Photo: NASA

Photo: NASA


CICLoPECICLoPE

Il nuovo velivolo ecologico

• E’ necessaria una nuova configurazione

NEL FRATTEMPO ???


CICLoPECICLoPE

Controlli attivi

• Necessitano di sensori e attuatori molto complessi• Aumento dei costi • Sicurezza ???

NASA, 1999


CICLoPECICLoPE Un nuovo metodo di controllo

1) efficiente2) passivo3) robusto4) applicabile a geometrie esistenti


CICLoPECICLoPE

La teoria – Le “streaks”

• La presenza di “Streaks” di ampiezza non trascurabile ha un effetto stabilizzante sui disturbi che agiscono sulla superficie del corpo. Questo effetto stabilizzante è tanto più intenso quanto più intense sono le “streaks”

Flow

x, U, u

y, V, v

z, W, w

2D 3D

€

U =U(x,y)

€

U =U(x,y,z)

StreaksNo streaks


CICLoPECICLoPE

Come generare “streaks” ?

• Le streaks devono essere di ampiezza significativa• Devono essere stabili


CICLoPECICLoPE

Il “proof of concept”

VELOCITA’


CICLoPECICLoPE

Gli esperimenti al Minimum Turbulence Level (MTL) wind tunnel al KTH

• Camera di prova 0.8 × 1.2 × 7 m3 (H × W × L)• Range velocità 0.7 — 70 m/s• Scambiatore di calore per controllo della temperatura• Presenza di materiale insonorizzante• Livello di turbolenza ≤ 0.025%• 5 schermi• Honeycomb• Contrazione 1:9


CICLoPECICLoPE

Anemometro

Elementi di rugosità9 cilindri circolarik = 0.78 mmD = 2 mm∆z = 8 mmU=5,6,7,8 m/s

40 mm

Superfice piana


CICLoPECICLoPE

Meccanismo di generazione delle “streaks”

• Il meccanismo di “Lift Up”

00

00−π−π /2/2 3π/23π/2ππππ /2/2

22

44

66

• Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2004, Physics of Fluids


CICLoPECICLoPE

Le streaks sono in grado di smorzare i disturbi esterni ?

• Sistema di generazione dei disturbi


CICLoPECICLoPE

Riduzione nella crescita di disturbi artificiali

• Fransson, Brandt, Talamelli, Cossu 2005, Physics of Fluids

• La presenza delle “streaks” genera un effettivo smorzamento dei disturbi

• Lo smorzamento aumenta con le dimensioni degli elementi di rugosità• Il tasso di crescita è ridotto di un fattore 2 (100 volte inferiori)


CICLoPECICLoPE

Le streaks sono in grado di ritardare la transizione ?

• Sistema di visualizzazione


CICLoPECICLoPE

Ritardo nella transizione

• Inserire filmato


CICLoPECICLoPE

Ritardo della transizione2D base flow

AC = 201 mV+ 2DTSWN forcing

AC = 450 mV

streaky base flow

+ 2DTSWN forcingAC = 157 mV

Mixed base flows

+ 2DTSWN forcing

• Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2006: Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2006: Delaying transition to turbulence by Delaying transition to turbulence by means of a passive mechanism,means of a passive mechanism, Physical review Letter Physical review Letter


CICLoPECICLoPE

Limiti degli elementi a geometria cilindrica

• Streaks di ampiezza moderata• Presenza di instabilità a velocità relativamente basse

ReRehh = 420 = 420

h


CICLoPECICLoPE

Un passo verso le applicazioni reali


CICLoPECICLoPE

Le nuove “streaks”

• Ampiezze fino al 30%• Streaks molto più stabili

• Fransson, Talamelli, 2012, Journal of Fluid Mechanics


CICLoPECICLoPE

Possibilità di rigenerare le “streaks”

• Come posizionare le rugosità a valle ???

• HSHS • LS


CICLoPECICLoPE

Conclusioni e sviluppi futuri

• La rugosità superficiale se opportunamente dimensionata può effettivamente posticipare la transizione

• E’ stata individuata una nuova geometria in grado di generare “streaks” più intense e più stabili

• E’ stata analizzata la possibilità di rigenerare le “streaks”

• Approfondire la comprensione fisica del fenomeno di smorzamento dei disturbi

• Ingegnerizzazione su superfici di applicazioni reali• Esplorare la possibilità di un utilizzo combinato per un controllo

contemporaneo di resistenza di attrito e resistenza di scia


CICLoPECICLoPE

Literature• Cossu C. & Brandt L. 2002: Stabilization of Tollmien-Schlichting

waves by finite amplitude optimal streaks in the Blasius boundary layer, Phys. Fluids

• Cossu C. & Brandt L. 2004: On the stabilizing role of boundary layer streaks on Tollmien-Schlichting waves, Eur. J. Mech B/Fluids

• Fransson J., Brandt L., Talamelli A., Cossu C.,”Experimental and theoretical investigation of the non-modal growth of steady streaks in a flat plate boundary layer”, Phys. Fluids, 2004, Vol. 16 pp. 3627-3638

• Fransson J., Brandt L., Talamelli A., Cossu C. “Experimental study of the stabilisation of Tollmien-Schlichting waves by finite amplitude streaks” Phys. Fluids, 2005, vol. 17, pp. 054110-1

• Fransson J.H.M., Talamelli A., Brandt L., Cossu C. (2006). Delaying Transition to Turbulence by a Passive Mechanism. Physical Review Letters. vol. 96, pp. 064501-1

• Fransson J.H.M., Talamelli A. (2012). On the generation of steady streamwise streaks in flat-plate boundary layers. Journal of Fluid Mechanics.

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CICLoPECICLoPE

Dispositivi superficiali per la resistenza aerodinamica

Alessandro Talamelli1,2

J. H. M. Fransson2 e ..H. Alfredsson, L. Brandt, S. Camarri, C. Cossu, P. Proli, A. Rossetti, S.

Sattarzadeh, A. Segalini, S. Shahinfar, 1 Università di Bologna, Forlì, Italy 2 Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden


CICLoPECICLoPE

Ing. Giuseppe Pedriali (1867-1932)

• conseguì rapidamente una seconda laurea in ingegneria elettronica a Liegi, che gli consentì di trovare occupazione in qualità di ingegnere aggiunto presso Società Tranviaria di Bruxelles. Dopo soli quattro anni, nel 1897, ne divenne il direttore

• Nel 1903, all’indomani di un disastro tranviario a Parigi, che mostrò la inadeguatezza delle attrezzature metropolitane ivi esistenti, fu chiamato dalla Società parigina "Metropolitan" per la determinazione delle cause della sciagura e l’approntamento immediato di radicali rimedi.

• Alcuni anni dopo, fu alla guida della fusione e della ristrutturazione delle otto aziende tranviarie della città di Buenos Aires per conto della Compagnia Tranviaria Anglo-Argentina, di cui fu per oltre diciotto anni direttore generale e, infine, consigliere delegato

• Attività votata al miglioramento dell’EFFICIENZA e sicurezza del sistema di trasporto pubblico


CICLoPECICLoPE

Efficienza -> Consumi

• European Economic and Social Committee ha consigliato alla Commissione europea di aumentare il target di diminuzione delle emissioni portandolo al 25% con scadenza al 2020

• Nel (2050) si punta a diminuire gli inquinanti di una percentuale compresa tra l’80 e il 95%

• Per quanto riguarda i trasporti (pubblico e privato) l’obiettivo è di aumentare ogni anno del 2% l’efficienza nei consumi fino 2050;

Dopo Copenhagen 15 (2009)


CICLoPECICLoPE

Motivazioni

• Il trasporto è responsabile del 13% dell’emissione totale di CO2


CICLoPECICLoPE

Motivazioni

• In venti anni il prezzo del combustibile è aumentato del 400%

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CICLoPECICLoPE

Quali strategie adottare ?

• Importanza della resistenza aerodinamica


CICLoPECICLoPE

La resistenza aerodinamica e i possibili risparmi

1% riduzione della resistenza

• 400.000 litri/anno per velivolo• 300.000 Euro di risparmio

• 5.000 kg in meno di sostanze inquinanti

Airbus A340


CICLoPECICLoPE

Da cosa dipende la resistenza aerodinamica ?

• La resistenza è composta da due contributi fondamentali

RESISTENZA DI ATTRITO E RESISTENZA DI SCIA


CICLoPECICLoPE

Lo strato limite

• Lo strato limite delimita la porzione di fluido che scorre vicino alla superficie del corpo

• Lo strato limite evolve da uno stato di tipo laminare a uno di tipo turbolento• Il processo che descrive questo passaggio è denominata “transizione”

δδ


CICLoPECICLoPE

La transizione



CICLoPECICLoPE

Corpi aerodinamici

• Un corpo aerodinamico è un corpo in cui lo strato limite lambisce l’intero corpo indipendentemente dal fatto che sia laminare o turbolento

• Un corpo aerodinamico è un corpo in cui prevale la resistenza di attrito


CICLoPECICLoPE

Corpi tozzi

• Un corpo tozzo è un corpo in cui lo strato limite separa prematuramente• Un corpo tozzo è un corpo in cui prevale la resistenza di scia


CICLoPECICLoPE

La scia in un corpo tozzo

• La resistenza di forma o di scia dipende dall’ampiezza di quest’ultima

• Uno strato limite turbolento separa più a valle generando una scia più piccola

E’ PREFERIBILE UNO STRATO LIMITE TURBOLENTO


CICLoPECICLoPE

Come ridurre la resistenza di un corpo tozzo ?

• Rendere lo strato limite turbolento• Alle velocità caratteristiche di questi corpi la resistenza viene ridotta

del 50%


CICLoPECICLoPE

Mezzi di trasporto con resistenza di attrito significativa


CICLoPECICLoPE

Come ridurre la resistenza di in un corpo aerodinamico ?


RIDUZIONE DELL’ATTRITO TURBOLENTO


CICLoPECICLoPE

Riduzione dell’attrito turbolento

• E’ necessario caratterizzare tutte le strutture al suo interno• La simulazione numerica non è ancora in grado di fornire risultati

estendibili alle applicazioni industriali• Il CICLoPE

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CICLoPECICLoPE

Una collaborazioneinternazionale

Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments

CICLoPECICLoPE

Strutture Europee• Cambridge U. (UK)• Imperial College (UK)• Trondheim (N)• Politecnico di Milano (I)• Tu Berlin (D)• Max Planck Institute (D)• CERN (CH)• TU Illmenau (D)

Strutture non europee• CalTech (US)• Princeton U. (US)• New Hampshire U.

(US)• Arizona State U. (US)• U. Melbourne (AU)• Shinshu U. (JP)• Nagoya U. (JP)

Partners• Bologna U. (I)• KTH Stockholm (S)• IIT Chicago (US)• EPFL Lausanne (CH)• ICTP Trieste (I)• Roma U. (I)

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CICLoPECICLoPE

Il laboratorio


CICLoPECICLoPE

Il “Long Pipe”

• Lunghezza 120 metri• Diametro 90 cm • Camera di prova a pressione ambiente• Possibilità di utilizzare tecniche di misura “standard”


CICLoPECICLoPE

Riduzione della resistenza in un corpo aerodinamico


RITARDARE LA TRANSIZIONE


CICLoPECICLoPE

International Air Transport Association

• Si stima una diminuzione fino al 10-15 % nel consumo di combustibile


CICLoPECICLoPE

La transizione



CICLoPECICLoPE

Trattamenti superficiali

• Per limitare i disturbi le superfici devono essere più lisce possibili


CICLoPECICLoPE

Precedenti tentativi di riduzione della resistenza di attrito laminare

• Ali molto allungate e corde molto piccole (per aumentare la percentuale di superfice laminare)

• Necessità di aggiungere tiranti• Posizionamento dei motori in coda

Photo: NASA

Photo: NASA


CICLoPECICLoPE

Il nuovo velivolo ecologico

• E’ necessaria una nuova configurazione

NEL FRATTEMPO ???


CICLoPECICLoPE

Controlli attivi

• Necessitano di sensori e attuatori molto complessi• Aumento dei costi • Sicurezza ???

NASA, 1999


CICLoPECICLoPE Un nuovo metodo di controllo

1) efficiente2) passivo3) robusto4) applicabile a geometrie esistenti

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CICLoPECICLoPE

La teoria – Le “streaks”

• La presenza di “Streaks” di ampiezza non trascurabile ha un effetto stabilizzante sui disturbi che agiscono sulla superficie del corpo. Questo effetto stabilizzante è tanto più intenso quanto più intense sono le “streaks”

Flow

x, U, u

y, V, v

z, W, w

2D 3D

€

U =U(x,y)

€

U =U(x,y,z)

StreaksNo streaks


CICLoPECICLoPE

Come generare “streaks” ?

• Le streaks devono essere di ampiezza significativa• Devono essere stabili


CICLoPECICLoPE

Il “proof of concept”

VELOCITA’

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CICLoPECICLoPE

Gli esperimenti al Minimum Turbulence Level (MTL) wind tunnel al KTH

• Camera di prova 0.8 × 1.2 × 7 m3 (H × W × L)• Range velocità 0.7 — 70 m/s• Scambiatore di calore per controllo della temperatura• Presenza di materiale insonorizzante• Livello di turbolenza ≤ 0.025%• 5 schermi• Honeycomb• Contrazione 1:9

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CICLoPECICLoPE

Anemometro

Elementi di rugosità9 cilindri circolarik = 0.78 mmD = 2 mm∆z = 8 mmU=5,6,7,8 m/s

40 mm

Superfice piana

34


CICLoPECICLoPE

Meccanismo di generazione delle “streaks”

• Il meccanismo di “Lift Up”

00

00−π−π /2/2 3π/23π/2ππππ /2/2

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66

• Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2004, Physics of Fluids

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CICLoPECICLoPE

Le streaks sono in grado di smorzare i disturbi esterni ?

• Sistema di generazione dei disturbi

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CICLoPECICLoPE

Riduzione nella crescita di disturbi artificiali

• Fransson, Brandt, Talamelli, Cossu 2005, Physics of Fluids

• La presenza delle “streaks” genera un effettivo smorzamento dei disturbi

• Lo smorzamento aumenta con le dimensioni degli elementi di rugosità• Il tasso di crescita è ridotto di un fattore 2 (100 volte inferiori)

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CICLoPECICLoPE

Le streaks sono in grado di ritardare la transizione ?

• Sistema di visualizzazione


CICLoPECICLoPE

Ritardo nella transizione

• Inserire filmato

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CICLoPECICLoPE

Ritardo della transizione2D base flow

AC = 201 mV+ 2DTSWN forcing

AC = 450 mV

streaky base flow

+ 2DTSWN forcingAC = 157 mV

Mixed base flows

+ 2DTSWN forcing

• Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2006: Fransson, Talamelli, Brandt, Cossu 2006: Delaying transition to turbulence by Delaying transition to turbulence by means of a passive mechanism,means of a passive mechanism, Physical review Letter Physical review Letter

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CICLoPECICLoPE

Limiti degli elementi a geometria cilindrica

• Streaks di ampiezza moderata• Presenza di instabilità a velocità relativamente basse

ReRehh = 420 = 420

h

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CICLoPECICLoPE

Un passo verso le applicazioni reali


CICLoPECICLoPE

Le nuove “streaks”

• Ampiezze fino al 30%• Streaks molto più stabili

• Fransson, Talamelli, 2012, Journal of Fluid Mechanics


CICLoPECICLoPE

Possibilità di rigenerare le “streaks”

• Come posizionare le rugosità a valle ???

• HSHS • LS


CICLoPECICLoPE

Conclusioni e sviluppi futuri

• La rugosità superficiale se opportunamente dimensionata può effettivamente posticipare la transizione

• E’ stata individuata una nuova geometria in grado di generare “streaks” più intense e più stabili

• E’ stata analizzata la possibilità di rigenerare le “streaks”

• Approfondire la comprensione fisica del fenomeno di smorzamento dei disturbi

• Ingegnerizzazione su superfici di applicazioni reali• Esplorare la possibilità di un utilizzo combinato per un controllo

contemporaneo di resistenza di attrito e resistenza di scia

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CICLoPECICLoPE

Literature• Cossu C. & Brandt L. 2002: Stabilization of Tollmien-Schlichting

waves by finite amplitude optimal streaks in the Blasius boundary layer, Phys. Fluids

• Cossu C. & Brandt L. 2004: On the stabilizing role of boundary layer streaks on Tollmien-Schlichting waves, Eur. J. Mech B/Fluids

• Fransson J., Brandt L., Talamelli A., Cossu C.,”Experimental and theoretical investigation of the non-modal growth of steady streaks in a flat plate boundary layer”, Phys. Fluids, 2004, Vol. 16 pp. 3627-3638

• Fransson J., Brandt L., Talamelli A., Cossu C. “Experimental study of the stabilisation of Tollmien-Schlichting waves by finite amplitude streaks” Phys. Fluids, 2005, vol. 17, pp. 054110-1

• Fransson J.H.M., Talamelli A., Brandt L., Cossu C. (2006). Delaying Transition to Turbulence by a Passive Mechanism. Physical Review Letters. vol. 96, pp. 064501-1

• Fransson J.H.M., Talamelli A. (2012). On the generation of steady streamwise streaks in flat-plate boundary layers. Journal of Fluid Mechanics.

dispositivi superficiali per la resistenza aerodinamica

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