Numerical investigation of gas transport in pipe bends

Gas transport appears in a plethora of applications in the engineering world as gas distribution, gas mining or pneumatic conveying. A piping system composed of bends is commonly used to guide the fluid to desired locations. In this context, the present work first aims at evaluating the performance of wall function and low Reynolds based turbulence models for RANS in a 90-degree bend pipe flow. Although simple, they offer understandable and accurate models while maintaining low computational costs, offering performant alternatives to LES and DNS approaches. In particular, widely used two equation models (k-ε standard, k-ε Realizable, k-ω) and the three-equations v2-f model are compared against experimental data and one another to better highlight their strengths and weaknesses from an engineering perspective. In a second stage, this thesis proposes a first look at the critical working condition in which solid particles are transported by the gas flow, exploring the erosive power of solid particles on pipe bends. An Eulerian-Lagrangian RANS based one-way coupling model is used to reproduce laboratory experiments. The obtained results were encouraging, opening the way to further investigation.

Il trasporto di gas compare in una pletora di applicazioni nel mondo dell'ingegneria, come la distribuzione di gas, l'estrazione di gas o il trasporto pneumatico. Un sistema di tubazioni composto da curve è comunemente utilizzato per guidare il fluido verso i punti desiderati. In questo contesto, il presente lavoro mira innanzitutto a valutare la capacità di modelli di turbolenza RANS basati sulla funzione di parete e di tipo “low-Reynolds” nel valutare il comportamento fluidodinamico di un gas in un tubo curvo a 90°. Pur semplificati, i modelli RANS possono offrire soluzioni sufficientemente accurate mantenendo bassi i costi computazionali, offrendo alternative performanti agli approcci LES e DNS. In particolare, le predizioni ottenute con modelli di turbolenza a due equazioni ampiamente utilizzati (k-ε standard, k-ε Realizable, k-ω) e con il modello a tre equazioni v2-f model sono confrontate tra di loro e con dati sperimentali di letteratura, così da comprenderne punti di forza e limiti in un’ottica ingegneristica. In una seconda fase, questa tesi propone un primo sguardo alla condizione critica di lavoro in cui le particelle solide sono trasportate dal flusso di gas, esplorando il potere erosivo delle particelle solide sulle curve dei tubi. Per riprodurre gli esperimenti di laboratorio viene utilizzato un modello di accoppiamento unidirezionale basato su RANS euleriano-lagrangiano. I risultati ottenuti sono incoraggianti e aprono la strada a ulteriori indagini.