Numerical simulation with Rans models of the ascending turbulent mixed convection to liquid metals flowing in a concentric annulus

Within the present thesis work the numerical RANS simulation of turbulennt mixed convection heat transfer to liquid metals flowing in a concentric annular duct is presented. When the flow is characterized by this thermal-hydraulic regime, the heat exchange devices which operate in such conditions are affected by large thermal stresses difficult to predict. Even though in the past the mixed convection problem has been deeply investigated, for either conventional fluids and liquid metals in a uniform heated pipe, the annular geometry didn't receive much attention. Since the annular ducts are extremely important in different technology fields, since liquid metals are considered the best heat transfer fluid for many advanced applications, it is extremely important to develop a suitable methodology in order to predict the heat transfer coefficient when the buoyancy forces are not negligible and when the the flow is characterized by large anisotropy of the shear stresses as for the considered geometry. With this proposal, many different turbulence models were assessed against DNS, experiments and correlations. The few available literature on the matter and the large experimental uncertainty has made extremely difficult the selection of a suitable turbulence model. Complex two equations models for the turbulent Prandtl number were found to be not accurate; a simpler approach has shown better results. Once the thermal models has been assessed, a suitable turbulence model was selected in order to manage a parametric study on the matter. The results are largely presented in terms of non-dimensional profiles, Nusselt number and frictions factors for all the boundary conditions which were considered. The buoyancy number, a parameter which was extensively used in the past for conventional fluids, was selected in the present study to represent the effects of buoyancy. Even in a simple annular geometry, the behavior of liquid metals is strictly different to that of conventional fluids. The lamnarization, a phenomenon which is related to a large reduction of the heat exchange coefficient, can be easily observed with high Prandtl flows. For liquid metals this is more difficult and the heat exchange devices are less affected by unexpected temperatures peaks.

Nel presente lavoro di tesi è illustrata l'analisi numerica RANS dello scambio termico in regime di convezione mista turbolenta in una geometria anulare concentrica operata con metalli liquidi. In particolari circostanze i componenti che operano in tale regime termoidraulico sono soggetti a forti stress termici difficili da prevedere. Sebbene in passato sia stato ampiamente studiato il problema, sia per fluidi convenzionali che per metalli liquidi con tubo cilindrico uniformemente scaldato, la geometria anulare concentrica ha riscontrato scarso interesse. Vista la sua importanza tecnologica in diversi campi e visto il crescente impiego dei metalli liquidi come fluidi termovettori ad alta efficienza, è necessario disporre di una metodologia efficace atta a prevedere correttamente il coefficiente di scambio termico convettivo quando le forze di galleggiamento non sono trascurabili e quando il flusso è caratterizzato da una forte anisotropia degli sforzi turbolenti come nel caso considerato. Con questo scopo nel presente studio sono stati utilizzati e confrontati diversi modelli di turbolenza con esperimenti, DNS e correlazioni disponibili. La scarsa letteratura in merito e l'alta incertezza sperimentale ha reso difficile la selezione di un modello adeguato. Modelli complessi a due equazioni per il numero di Prandtl turbolento si sono rivelati inefficaci, mentre modelli più semplici hanno mostrato risultati soddisfacenti. Successivamente, una volta individuata una metodologia corretta, è stato svolto uno studio parametrico al variare dei parametri principali che caratterizzano il problema, ossia il rapporto dei raggi, il numero di Prandtl, il numero di Grashof e il rapporto fra flusso termico sulla parte interna ed esterna. I risultati in termini di profili non-dimensionali, numeri di Nusselt e coefficienti di attrito sono ampiamente mostrati e discussi per le diverse condizioni al contorno scelte. Come parametro caratterizzante l'entità delle forze di galleggiamento si è utilizzato il numero di buoyancy, un parametro adimensionale largamente adottato per fluidi convenzionali, ma non ancora testato per descrivere la convezione mista nei metalli liquidi. Da questo studio si è evinto che, anche in una geometria semplice come quella anulare, il comportamento dei metalli liquidi differisce sostanzialmente da quello dei fluidi convenzionali. In particolare si è visto che, mentre per fluidi ad alto numero di Prandtl, la laminarizzazione, associata a un dimezzamento del coefficiente di scambio termico, è un fenomeno facilmente osservabile, per metalli liquidi invece difficilmente accade e i componenti sono meno soggetti a temperature inaspettate.