Numerical investigation of turbulent flow in pipe bends

Objective of this M.Sc. thesis is to assess the capability of RANS models based on the eddy-viscosity assumption to predict the essential features of turbulent flows in pipe bends. Compared with alternative approaches, these models are perhaps the most simplistic, but they do have the clear advantage of formal simplicity and low computational cost. For these reasons, they particularly attractive for engineering simulations. Understanding which type of information (and with which degree of accuracy) can be obtained using eddy-viscosity models is an essential step before looking at even more complex physical phenomena that can occur inside of these geometries, such as the transport of solids and the structural damage due to interactions between the travelling particles and the pipe walls. A comprehensive validation with respect to experimental data reported in the literature revealed that eddy-viscosity models and, in particular, the RNG k-epsilon, allow satisfactory prediction of pressure and flow field, with a degree of accuracy in line with the requirements of many engineering applications.

L'obiettivo di questa tesi di Laurea Specialistica è valutare la capacità predittiva dei modelli RANS basati sull'ipotesi di viscosità turbolenta in relazione alle caratteristiche salienti del flusso turbolento in tubazioni curve. Rispetto ad approcci alternativi, questi modelli sono forse i più semplicistici, ma hanno non trascurabili vantaggi tra cui semplicità formale e ridotto costo computazionale. Per questi motivi, essi sono particolarmente interessanti per le simulazioni ingegneristiche. Comprendere quale tipo di informazione (e con quale grado di precisione) si possa ottenere utilizzando modelli a viscosità turbolenta è un passo essenziale prima di analizzare fenomeni fisici più complessi che possono verificarsi all'interno di queste geometrie, come il trasporto di solidi e i danni strutturali dovuti alle interazioni tra le particelle e le pareti della tubazione. Un’estensiva validazione rispetto a dati sperimentali riportati in letteratura ha rivelato che i modelli a viscosità turbolenta e, in particolare, il k-ε RNG, permettono di prevedere in modo soddisfacente la pressione e il campo di moto, con un grado di accuratezza in linea con i requisiti di molte applicazioni ingegneristiche.