Particle-laden turbulent wavy channel flow

In this work, we compare interfaced-resolved simulations and one-way coupled point-particle (PP) direct numerical simulations of a turbulent wavy chan- nel flow at Reb = 3100 laden with small inertial particles. The particle diameter is varied between 1/30 ≤ dp/h ≤ 1/20, the particle-to-fluid density ratio ranges be- tween 1.5 ≤ ρp/ρf ≤ 15, the volume fraction of the suspension is ΦV ≈ 0.004−0.005 and the aspect ratio of the wavy wall is varied between 0.2 ≤ 2a/λ ≤ 0.4 (a = h/10 is the maximum height of the wavy wall, λ is its wavelength, and h is the channel semi-height). For the point-particle simulations, we use the complete Maxey-Riley- Gatignol equation with the addition of the Saffman-Mei lift force model, while for the interfaced-resolved simulation, we use an Eulerian Immersed Boundary (IBM). First, we investigate the validity of the point-particle model in a gravity-driven particle deposition problem, varying the Froude number between 0.3 ≤ F r ≤ 1.35, fixing ρp/ρf = 1.5, and dp/h = 1/20. When gravity dominates (small F r), the point particle simulations agree reasonably well with the interface-resolved sim- ulations, with a satisfactory prediction of the spatial distribution of particles at the end of the deposition process. However, the point-particle approximation fails when gravity does not dominate (large F r), and the fluid-solid interaction becomes relevant. Then, we consider a gravity-free turbulent channel flow with a wavy bot- tom wall and a flat top wall and study the spatial distribution of the particles and their tendency to form clusters for ρp/ρf = 1.5 and ρp/ρf = 15 and dp/h = 1/30. For the lighter particles, the feedback of the solid phase on the flow is rather low, while for the heavier particles, substantial differences with respect to the unladen case are found, which are already visible in the mean velocity profiles. When com- paring the IBM and PP simulations, the statistics regarding the collective motion of the particles differ, with a large discrepancy in the particle concentration close to the walls. We provide possible explanations of the discrepancies by looking at the particle clusters with the aid of the Voronoï tessellation.

In questo lavoro si presenta un confronto tra le Simulazioni Numeriche Dirette di particelle puntiformi e le Simulazioni Numeriche Dirette di particelle la cui dinamica è calcolata risolvendo il flusso al’interfaccia in un canale turbolento che presenta una parete ondulata. Le simulazioni vengono condotte a Reb = 3100 nel quale sono state inserite delle particelle inerziali. Nel seguente studio il diametro delle particelle varia tra 1/30 ≤ dp/h ≤ 1/20, il rapporto tra la densità delle particelle e quella del fluido oscilla tra 1.5 ≤ ρp/ρf ≤ 15, la frazione volumetrica della sospensione è ΦV ≈ 0.004 − 0.005 e il rapporto d’aspetto della parete ondulata varia tra 0.2 ≤ 2a/λ ≤ 0.4 (a = h/10 è l’altezza massima della parete ondulata e h è la semi-altezza del canale). Per le simulazioni delle particelle puntiformi, si utilizza l’equazione completa di Maxey-Riley-Gatignol, con l’aggiunta del modello di forza di portanza di Saffman-Mei mentre per risolvere il flusso all’interfaccia si usa un Metodo dei Contorni Immersi Euleriano. Inizialmente, si indaga sulla validità del modello delle particelle puntiformi in un problema di deposizione sotto l’effetto della forza di gravità, variando il numero di Froude tra 0.3 ≤ F r ≤ 1.35, fissando ρp/ρf = 1.5, e dp/h = 1/20. Quando la gravità domina (piccoli F r), le simulazioni delle particelle puntiformi concordano ragionevolmente bene con le simulazioni risolte con il metodo dei contorni immersi, con una previsione soddisfacente della distribuzione spaziale delle particelle alla fine del processo di deposizione. Tuttavia, quando la gravità non domina ma gli effetti fluidodinamici sono importanti (grandi F r), l’approssimazione delle particelle puntiformi fallisce, sovrastimando la distanza media percorsa dalle particelle prima della deposizione rispetto alla simulazione risolta con il metodo dei contorni immersi. Successivamente, si considera un flusso turbolento in un canale privo di gravità con una parete inferiore ondulata e una parete superiore piatta e si studia la distribuzione spaziale delle particelle e la loro tendenza a formare agglomerati per ρp/ρf = 1.5 e ρp/ρf = 15 e dp/h = 1/30. Per le particelle più leggere, l’effetto della sospensione sul fluido è piuttosto basso, mentre per le particelle più pesanti, si trovano differenze sostanziali, che sono già visibili nei profili di velocità medi. Al centro del canale, la distribuzione delle particelle prevista dalla simulazione delle particelle puntiformi concorda con quella dalla simulazione risolta con il metodo dei contorni immersi. Tuttavia, le statistiche riguardanti il moto collettivo delle particelle vicino alle pareti mostrano grandi differenze. Forniamo possibili spiegazioni delle discrepanze esaminando gli agglomerati di particelle con l’ausilio della tessellazione di Voronoï.