Modeling of 1-D RANS for buoyancy-driven flows. Second-order closure and comparison against DNS

The purpose of the present thesis is the evaluation of the quality and reliability of current one-dimensional first and second order RANS closure models and the improvement of their predictive capability in the field of turbulent slope flows, taking into account all the factors that may affect them. Current methods of analysis are as a matter of fact characterized by rapidity and ease of use at the expense of the results’ truthfulness, or by great precision and accuracy but implying a lack of generality and requiring huge computational times. In the present study we want to advance knowledge of such flows which to-date remain poorly understood, mainly due to limitation in computer power that prevents us to perform DNS at high Reynolds numbers. Implementation of a second-order model is carried out, and its results are compared against available experimental measurements as well as high-fidelity fully three-dimensional direct numerical simulation (DNS) results for a sloping angle variable from 15° to 60°, obtaining a good improvement with respect to the current most frequently used models.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di valutare la qualità e affidabilità degli attuali modelli di chiusura di primo e secondo ordine delle equazioni di Navier-Stokes mediate e di aumentarne le capacità predittive nel campo dei flussi turbolenti su superfici inclinate. I metodi maggiormente utilizzati attualmente per la valutazione di questo tipo di flusso sono caratterizzati da immediatezza e semplicità d’uso a discapito della bontà dei risultati ottenibili, oppure da grande precisione e accuratezza comportando un grande onero dal punto di vista computazionale. Nel presente studio si è cercato di aumentare la conoscenza di tali flussi, i quali sono ancora poco conosciuti soprattutto a causa dell’impossibilità di effettuare simulazioni numeriche dirette con un alto numero di Reynolds. Il modello di chiusura di secondo ordine implementato è confrontato con simulazioni numeriche dirette esistenti e con dati sperimentali per un angolo di inclinazione variabile tra 15° e 60°, ottenendo un buon miglioramento rispetto ai modelli più frequentemente utilizzati ad oggi.