Modellazione RANS del flusso turbolento in condotte con sezione rettangolare

This work is part of a broader research project aimed at developing mathematical models for the numerical simulation of two-phase flows consisting of a mixture of water and solid particles (“slurry flows”) in pipelines. In order to gather additional validation of the two-phase model developed within the Fluid Lab research group in view of its improvement, it has been planned to address the benchmark case of turbulent flow in pipes with rectangular cross-section. As a first step, this thesis work focuses on the case of single-phase flow in such geometry. In particular, the analysis was aimed at assessing the predictive capacity of different RANS-based turbulence models, implemented in the CFD code PHOENICS. Numerical simulations were compared with experimental data from literature. The obtained results show that the considered turbulence models, one of “Reynolds-stresses”-type and four based on the Boussinesq assumption, describe with reasonable accuracy the average flow characteristics (velocity, turbulent intensity) in the central part of the pipe, but fail in describing the secondary flows that characterize the turbulent flow in rectangular pipes. However, the “Reynolds-stresses”-type model seems to be more accurate in estimating the wall shear stress distribution and, therefore, the pressure gradient. Next step will be the extension of the validation to a larger experimental dataset and the implementation of possible corrections to the turbulence models to improve their predictive capacity in the single-phase flow case. Finally, the two-phase “slurry flow” case will be addressed.

Il presente lavoro si inserisce in un progetto di ricerca più ampio finalizzato allo sviluppo di modelli matematici per la simulazione numerica dei flussi bifase costituiti da una miscela di acqua e particelle solide (“slurry flows”) in condotte in pressione. Al fine di ottenere un'ulteriore validazione del modello fluidodinamico per flussi slurry sviluppato dal gruppo di ricerca “Fluid Lab” e indagarne in dettaglio il funzionamento in vista di una sua estensione, è stata prevista l’applicazione al caso di un tubo con una sezione trasversale rettangolare. Come primo passo in questa direzione, il presente lavoro di tesi si è incentrato sul caso di flusso turbolento monofase in condotte rettangolari. L’analisi, in particolare, è stata finalizzata ad indagare la capacità predittiva di diversi modelli di turbolenza con approccio RANS utilizzando il software commerciale PHOENICS. Le simulazioni numeriche sono state confrontate con dati sperimentali di letteratura. I risultati ottenuti mostrano che i modelli di turbolenza testati, uno del tipo “agli sforzi di Reynolds” e quattro basati sull’ipotesi di Boussinesq, descrivono bene le caratteristiche medie del campo di moto (velocità e intensità turbolenta) nella parte centrale della condotta, ma nessuno di essi appare in grado di cogliere i ricircoli secondari che caratterizzano il flusso in tubazioni rettangolari. Tuttavia, il modello agli sforzi di Reynolds sembra consentire una più accurata stima dello sforzo tangenziale di parete e, dunque, del gradiente di pressione. Il passo successivo sarà estendere la validazione ad un database sperimentale più ampio e implementare delle correzioni ai modelli di turbolenza per migliorarne la capacità predittiva nel caso monofase, quindi procedere con l’applicazione al caso bifase.