Stabilità di superfici con riblets nel moto di Taylor-Couette

Abstract

La presente tesi si inserisce nell’ambito dello studio di strategie passive per la riduzione dell’attrito viscoso nei flussi turbolenti, con particolare attenzione alle superfici micro-strutturate a riblets. Dopo una rassegna della letteratura sul principio di funzionamento e sull’origine biomimetica di tali superfici, l’analisi si concentra sul caso specifico del flusso Taylor-Couette, ossia il moto tra due cilindri coassiali in rotazione relativa. L’obiettivo principale del lavoro è valutare l’impatto delle riblets sulla stabilità del flusso, sia attraverso un modello teorico e numerico (basato su condizioni di slip equivalenti e analisi lineare di stabilità), sia mediante una campagna sperimentale. Quest’ultima è stata condotta utilizzando camicie riblettate stampate in 3D e un reometro ad alta precisione, con misurazioni della coppia resistente e osservazioni dirette delle instabilità vorticali. I risultati mostrano che le superfici riblettate determinano un ritardo dell’instabilità primaria, con un aumento del numero critico di Reynolds fino a circa il 10\% rispetto al caso di superficie liscia. Le simulazioni numeriche riproducono accuratamente tale comportamento, confermando la validità dell’approccio teorico. L’accordo tra dati sperimentali e predizioni numeriche evidenzia l’efficacia delle riblets non solo nella riduzione dell’attrito, ma anche nel controllo della transizione alla turbolenza.

This study investigates passive strategies for reducing viscous drag in turbulent flows, with a focus on micro-structured riblet surfaces inspired by biomimetic principles. The analysis is centered on Taylor–Couette flow between two coaxial cylinders in relative rotation. A combined theoretical, numerical, and experimental approach was adopted to evaluate the influence of riblets on flow stability. Theoretical and numerical models, based on equivalent slip conditions and linear stability analysis, were complemented by experiments using 3D-printed riblet-coated sleeves and high-precision torque measurements. The results demonstrate that riblet surfaces delay the onset of the primary instability, increasing the critical Reynolds number by up to 10% compared to smooth surfaces. Numerical simulations accurately capture this behavior, validating the modeling approach. Overall, the findings highlight the potential of riblets not only for friction reduction but also for controlling the transition to turbulence.