Large eddy simulation of mixed convection to a low Prandtl number fluid in a vertical pipe flow

The pipe flow of a fluid with P r = 0.025 and homogeneous heat flux at the wall is studied through LES for Re = 5300 (to the diameter) and various Richardson numbers. The aim is to try to replicate the results of a recent study, conducted by means of DNS, in analogous conditions. The purpose is to demonstrate how a less accurate numerical model may still be competent in studying the phenomena of "aided mixed convection". This regime is considered to be particularly critical, as the friction factor and the Nusselt number are observed to vary inconsistently. This is due to a complex behaviour of the flow turbulence, which it is at first impaired and then increased in intensity as buoyant forces extent rise. In case the present model is demonstrated accurate, it could be well implied to extend literature knowledge that, at the time this work was developed, is still not able to provide valid correlation in this particular flow conditions. The results obtained through the simulations allowed to revise the previous DNS study that, after a deeper assessment, appeared to be unreliable. Unluckily, this has impeded a thorough validation of the present method that still, thanks to other comparison, is considered accurate enough. Once concluded the validation, thanks to a more in-depth study of laminarization(stage at which turbulence intensity is strongly reduced and C f and N u drop consistently), it was discovered a more critical point than the one up to now established. Afterward a great attention was posed in the description of friction factor and Nusselt number either, these were indeed found in excellent agreement to the DNS (for the Nusselt only after correcting the reference data). Both were decomposed through an improved analytical decomposition that, eventually, quantified the buoyant contribution to heat transfer coefficient. At the very conclusion, to promote future development, a series of RANS simulations, at different Richardson numbers, was joined by few LESs, all performed at Re = 11700. This was done to understand whether the first kind of simulations are suitable to predict the Richardson number at which the most interesting points of mixed convection lie.

Un flusso, in condotto circolare, di un fluido con Pr = 0.025 e con introduzione omogena di calore a parete, viene studiato tramite Large Eddy Simulations (LES) per Re = 5300 (riferito al diametro) e diversi numeri di Richardson. L’obbiettivo è replicare i risultati recentemente ottenuti da uno studio tramite Direct Numerical Simulations (DNS) in analoghe condizioni. Il tutto è rivolto a dimostrare quanto un modello numerico meno accurato possa comunque essere usato nello studio della "convezione mista concorde". Tale regime è dimostrato essere particolarmente critico, poichè si osserva una forte variabilità nei valori del fattore di attrito e del coefficiente di scambio termico, a causa di un complesso comportamento della turbolenza, dapprima attenuata poi incrementata al crescere delle forze di galleggiamento. Se dimostrato accurato, il presente modello troverebbe largo impiego nell’estensione della letteratura scientifica che, nel momento in cui questo lavoro è stato sviluppato, risulta incapace di fornire correlazioni valide in queste particolari condizioni. I risultati ottenuti hanno permesso di rivisitare il precedente studio operato tramite DNS che, in seguito a un analisi approfondita, si è dimostrato non del tutto affidabile. Questo putroppo è andato a discapito della validazione del modello che comunque, grazie ad altri confronti, appare piuttosto affidabile. Conclusa la parte di validazione, è stato realizzato uno studio più dettagliato della zona di laminarizzazione (stadio in cui avviene una forte riduzione dell’intensità turbolenta e un crollo di C f e N u), trovando un punto ancor più critico di quello fino a questo momento conosciuto. Inoltre, particolare rilevanza è stata data a coefficiente di attrito e numero di Nusselt, trovati in eccellente accordo con la DNS di riferimento (per il Nusselt solo in seguito a una correzione dei dati della fonte). Questi infatti sono stati elaborati tramite una perfezionata decomposizione analitica, la quale ha permesso di quantificare il contributo allo scambio termico dato dal galleggiamento. Da ultimo, per promuovere i necessari sviluppi futuri, una serie di simulazioni Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS), a diversi numeri di Richardson, è stata accompagnata da alcune simulazioni LES, entrambe a Re = 11700. Questo per capire se le prime predicano adeguatamente la collocazione dei punti più notevoli riferiti agli stadi di convezione mista