High-fidelity simulation of a jet in crossflow

Despite the apparent simplicity, the flow field created by jets in crossflow is very complex. Previous studies analyzed the main flow characteristics and the mixing properties of the phenomenon both experimentally and numerically. In this thesis, we simulated a low velocity ratio jet in crossflow using the open-source software OpenFOAM. Turbulence is modelled using the implicit LES approach. We tested different grid types, and accurate results were only obtained using a structured, conformal and highly-orthogonal grid. Our numerical simulation showed a velocity and vorticity field coherent with the experiments and with the structural characteristics of the jet, as all the major flow features are reproduced correctly. Shear layer rollup starts in the proximity of the jet exit plane, and the counter-rotating vortex pair is symmetrical. In addition, the spectral analysis on the vertical velocity component in the proximity of the shear layer showed that the frequency of shedding of the vortices is reproduced correctly. Injection of particles inside the boundary layer revealed that the column vortices arise thanks to the lower layers of the boundry layer that are lifted away thanks to the action of the horseshoe vortex forming on the upstream rim of the pipe exit. The analysis of the scalar concentration field in both the symmetry plane and on the cross-section showed results coherent with the theoretical findings, and confirmed quantitatively the symmetry of the counter-rotating vortex pair as well. Basing on the quality of the results obtained, we retain that this work can serve as a starting point for future simulations of forced jets in crossflow.

Nonostante l'apparente semplicità, il flusso generato da un jet in crossflow è molto complesso. Studi precedenti hanno analizzato le principali caratteristiche del flusso e le proprietà di mixing del fenomeno sia sperimentalmente che numericamente. In questa tesi, abbiamo simulato un jet in crossflow a basso rapporto di velocità usando il software open-source OpenFOAM. La turbolenza è modellata usando un approccio LES implicito, in cui la dimensione della mesh stabilisce la dimensione minima dei vortici che possono essere risolti. Abbiamo testato diversi tipi di griglia, e i risultati migliori sono stati ottenuti solo utilizzando una griglia strutturata, conforme ed altamente ortogonale. La nostra simulazione ha mostrato un campo di velocità e vorticità coerenti con gli esperimenti e con le caratteristiche strutturali del jet, poiché tutte le principali caratteristiche del flusso sono riprodotte correttamente. Il rollup dello shear layer inizia in prossimità dell’outlet del jet e il counter-rotating vortex pair è simmetrico. Inoltre, l'analisi spettrale sulla componente verticale della velocità in prossimità dello shear layer ha mostrato che la frequenza di shedding dei vortici è riprodotta correttamente. La traiettoria delle particelle ha rivelato che quando esse vengono iniettate all'interno dello strato limite del tunnel, vengono sollevate dall'azione del vortice a ferro di cavallo e vanno a ricongiungersi con il getto principale. L'analisi della concentrazione dello scalare sia nel piano di simmetria che sulla sezione trasversale ha mostrato risultati coerenti con le osservazioni sperimentali, e ha confermato quantitativamente la simmetria del counter-rotating vortex pair. Basandoci sulla qualità dei risultati ottenuti, riteniamo che questo lavoro possa servire come punto di partenza per la simulazione di jet in crossflow con forzamento.