Numerical simulation of liquid metals mixed convection in a pipe

The behaviour of liquid metal (LBE) with Pr = 0.025 through a pipe is studied with homogeneous heat flux at the wall. The type of simulations used is the Large Eddy Simulations (LES) for different Reynolds numbers (belonged at diameter): 5300, 8400, 11690 and for different Richardson numbers. The results are compared with previous simulations computed by Direct Numerical Simulations (DNS) at the same conditions. This thesis has twice goals: the first one is to study the behaviour of this type of liquid metals for the different operative condition; the second one is to validate as a numerical model less precise could be used in the study of the "aided mixed convection". This regime is considered to be particularly interesting, because the friction factor and the Nusselt number, that are the main parameters of these study, are observed to vary frequently. This strange behaviour is due to the turbulence of the flow, that first decreases and then arises. These results show as the model used in the literature are very accurate and it proves as some studies in the literature are not completely reliable. That can open new ways for the study of liquid metals for different operative conditions. Once conclude the validation part for the most frequent conditions in literature, a new study is led to higher Reynolds numbers. That has permitted us to examine more deeply the behaviour and the features of the fluid, verifying the fascinating results found at lower regimes. Moreover a more detailed study, through the FIK decomposition, at the laminarization zone (point in which the turbulence contribution drop to zero and the $C_f$ and the $Nu$ have a strong reduction) for all the regimes simulated. This has permitted us to find new points with characteristics more critical. The FIK decomposition, particularly for the Nusselt number, has allowed quantifying the contribution of each forces acting in the heat exchange, i.e. the buoyancy and the turbulence. At last, various Reynolds-Averaged-Navier-Stokes simulations are performed for the same operative conditions of LES. That has underlined as the RANS are a powerful qualitative tool in the study of liquid metals, because, for low Reynolds number, they repeat, with some differences, the results obtained with more precise numerical methods. On the contrary, RANS for higher Reynolds numbers introduces errors not more negligible, modifying not only the numerical result but also its physic interpretations. Few type of liquid metals with Pr = 0.005 is studied for Re = 8400 through LES. This work confirms some results in the literature and it shows a new behaviour, that could deserve to be investigated further.

Lo scopo di questa tesi è studiare il comportamento di un metallo liquido con Pr = 0.025 (LBE) attraverso un condotto circolare con introduzione omogenea di calore a parete. Lo studio è effettuato tramite Large Eddy Simulations (LES) per differenti numeri di Reynolds (riferiti al diametro): 5300, 8400, 11690 e differenti numeri di Richardson. I risultati sono confrontati con simulazioni precedenti effettuate tramite Direct Numerical Simulations (DNS) in analoghe condizioni. Il tutto ha un duplice obiettivo: studiare il comportamente di tale metallo liquido per diverse condizioni operative e dimostrare quanto un modello numerico meno accurato possa comunque essere usato nello studio della "convezione mista concorde". Tale regime è dimostrato essere particolarmente interessante, poichè si osserva una forte variabilità nei valori del fattore di attrito e del coefficiente di scambio termico. Tale criticità è causata da un complesso comportamento della turbolenza, la quale prima è attenuata e poi incrementata dalle forze di galleggiamento. Tale risultato dimostra come il modello già studiato in letteraura sia particolarmente accurato e come alcuni studi tramite DNS si sono dimostrati non del tutto affidabili. Ciò apre la strada a nuovi studi con condizioni operative e metalli liquidi differenti. Una volta conslusa la parte di validazione alle condizioni più frequenti in letteratura, è stato condotto lo studio per numeri di Reynolds più elevati. Ciò ha permesso di indagare più approfonditamente sul comportamento e le caratteristiche del fluido, confermando gli interessanti risultati trovati a regimi più bassi. Inoltre è stato realizzato uno studio più dettagliato, attraverso la decomposizione di FIK, della zona di laminarizzazione (stadio in cui avviene una forte riduzione dell'intensità turbolenta e un crollo del coefficiente di attrito e del numero di Nusselt) per tutti i vari regimi simulati. Ciò ha permesso di trovare nuovi punti con caratteristiche ancora più critiche. Tale decomposizione, in particolar modo per il numero di Nusselt, ha permesso di quantificare il contributo di ogni forza agente allo scambio termico, come ad esempio le forze dovute al galleggiamento e alla turbolenza. Da ultimo sono state effettuate varie simulazioni Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS) per le stesse condizioni operative delle LES. Ciò ha evidenziato come le RANS siano un strumento qualitativo prezioso nello studio di tali fluidi, in quanto, almeno per bassi numeri di Reynolds, replicano con le dovute discrepanze i risultati ottenuti con metodi numerici più accurati. Si è però dimostrato come le RANS per numeri di Reynolds maggiori, introducano errori non più trascurabili, andando a modificare il risulato numerico e di conseguenza cambiando anche l'interpretazione fisica, la quale risulta fondamentale per tutte le ricerche di analisi numerica. Infine un nuovo tipo di metallo liquido caratterizato da un Pr = 0.005 è stato studiato per Re = 8400 tramite LES. Ciò ha permesso di confermare alcuni risultati in letteratura e ha mostrato un nuovo comportamento il quale apre a nuove possibiltà da studiare in futuro.