RANS and LES simulations of a turbulent plane jet

In this master thesis a numerical analysis of a turbulent plane free jet was carried out by means of both Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANS) and large-eddy simulation (LES) approaches. The Reynolds and the Mach numbers chosen for this studies were 16,000 and 0.07 respectively. A small temperature gradient was enforced, so that the jet nozzle exit temperature was slightly higher than the ambient one. This allowed to consider the temperature as a passive scalar not influencing the velocity field. Both versions of the open-source software OpenFOAM, OF 4.1.0 and OF 3.0.1 were used, the former for the RANS simulations and the latter for the LES ones. Different meshes were exploited, in any case with a predominant hexaedral cell shape. The nozzle was not included inside the simulation domain, so that the exit nozzle conditions were fixed by the author. The objective of this project was to test the differences between the RANS and LES methods for a simple test case such as the one of the turbulent free jet, in order to have different possibilities of comparison with experimental data available literature. Averaging in time of the LES simulations brought to converging results only until an axial distance of x=20d, so that data after this axial coordinate were difficult to compare. LES results showed a better behaviour in the near field region, in particular for the velocity axial decay. Temperature axial decay was found to match better the LES results then the RANS ones, but the temperature half width was found to be non-physically overestimated by the former, while consistently underestimated by the latter. For what concerns the LES simulations, with an higher amount of time and more computational resources the work could be extended, introducing a nozzle in the domain, building a finer mesh for the near field region, and averaging on longer times.

In questa tesi di laurea magistrale è stata sviluppata un'analisi numerica di un getto turbolento e planare in aria libera attraverso i metodi RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes equations) e LES (large-eddy simulation). Il numero di Reynolds ed il numero di Mach sono stati scelti di 16,000 e 0.07 rispettivamente. L'aria uscente dall'ugello è stata impostata come leggermente riscaldata rispetto alla temperatura ambiente. In questo modo la temperatura è stata considerata uno scalare passivo, cioè che non influenza la soluzione del campo di moto. Sono state adoperate entrambe le versioni del sofware open-source OpenFOAM, versione 4.1.0 e versione 3.0.1, la prima per le simulazioni RANS e la seconda per le simulazioni LES. Sono state utilizzate mesh differenti, ma sempre a predominanza esaedriche. L'ugello non è stato incluso nel dominio di simulazione, quindi le condizioni di uscita del getto sono state fissate dall'autore. L'obiettivo di questo progetto è quello di valutare le differenze nei metodi RANS e LES nel caso di un getto d'aria turbolento, per il quale sono presenti molti dati sperimentali in letteratura. I risultati delle simulazioni LES sono stati mediati nel tempo, mostrando una convergenza solo fino alla distanza assiale di x=20d. Per questo motivo le comparazioni dei profili dopo questa distanza sono difficili da considerarsi attenibili. I risultati con il metodo LES hanno mostrato un comportamento più conforme ai dati sperimentali rispetto a quelli con il metodo RANS, in particolare per l'evoluzione assiale della velocità. E' stato rilevato che il decadimento assiale della temperatura è maggiormente concorde con gli esperimenti per il caso LES rispetto al caso RANS, ma la half-width della temperatura è stata sovrastimata in modo non fisico dal primo e sottostimata (ma ragionevolmente) dal secondo. Per quanto riguarda l'approccio LES, con un maggiore tempo a disposizione e ulteriori mezzi computazionali, il lavoro potrebbe essere esteso, introducendo l'ugello all'interno del dominio, rifinendo la mesh nella zona vicino all'ugello e mediando su tempi più lunghi.