Three-dimensional characterization of mixing induced by a jet in crossflow

Jet in crossflow is a particular type of flow-field largely used in industrial and aeronautical applications. It consists of a jet issued perpendicularly into a developed flow, called crossflow. The interaction between these two fluids is responsible for the enanched level of mixing. In the last decades, the interest of the research community for tranverse jets grew exponentially. What is still missing is the three-dimensional characterization of mixing in different operative conditions. In this thesis, equidensity, non-forced JICFs are investigated numerically, using DNS: the model is validated using data available in the literature and the grade of mixing is estimated using the unmixedness. Jet mean concentration and unmixedness are calculated in two dimensions in different operative conditions. Data are sampled on three different surfaces perpendicular to the crossflow direction and the spatial mean is matched with a reference value. The results show good agreement with the experimental data. The three-dimensional characterization is focused on analysing how concentration spatial mean and unmixedness are affected by different momentum ratio and by different sized control volumes. The trends for different momentum ratio are similar to the ones found in the two-dimensional analysis. It is noted that the concentration spatial mean variation over different control volumes is negligible if the jet structure included is already aligned with the crossflow direction. There are differences in the unmixedness because the jet concentration field is different. Different scaling laws are derived in order to estimate analytically the spatial mean and the unmixedness, before running a simulation.

Il flusso in controcorrente è un particolare tipo di campo di moto, utilizzato in applicazioni industriali e aeronautiche. È formato da un getto emesso perpendicolarmente in un flusso sviluppato, chiamato controcorrente. L’interazione tra i due fluidi è responsabile del migliore livello di mixing. Negli ultimi decenni. l’interesse della comunità scientifica per questo tema è cresciuto esponenzialmente. Ciò che ancora manca è la caratterizzazione tridimensionale del mixing, in diverse condizioni operative. In questa tesi, flussi in controcorrente a pari densità e non forzati sono studiati numericamente, utilizzando la simulazione numerica diretta: il modello è validato usando dati sperimentali e il livello di miscelazione è stimato utilizzando l'unmixedness. La concentrazione spaziale del getto e l'unmixedness sono calcolati in due dimensioni. I dati sono campionati su tre diverse superfici perpendicolari alla direzione della controcorrente e la media spaziale è equiparata ad un valore di riferimento. I risultati sono in linea con i dati sperimentali. La caratterizzazione tridimensionale è incentrata sull’analisi della miscelazione al variare del rapporto di quantità di moto J e della dimensione dei volumi di controllo. Gli andamenti al variare J sono simili a quelli ottenuti dall’analisi bidimensionale. Si nota che la variazione di concentrazione media è molto bassa al variare del volume se la struttura del getto è allineata con la direzione della controcorrente. Il valore di unmixedness è diverso perché è diverso il campo di concentrazione. I risultati sono scalati rispetto alle condizioni operative per poter stimare analiticamente la concentrazione media e l'unmixedness.