RANS-based modeling of pipe flow with varying roughness using the k-epsilon turbulence model

This thesis investigates the performance of Reynolds-Averaged Navier-Stokes equa- tions with the standard k−ε turbulence model, coupled with Jayatilleke’s sand-grain roughness wall function, in predicting the main features of turbulent flow in rough pipes. The objective is to evaluate the model’s accuracy in predicting friction fac- tors across a wide range of Reynolds numbers and roughness characteristics. The friction factor predictions obtained from the simulations were compared to empirical data from the Moody and Nikuradse charts to assess model accuracy. The results indicate that the modeling framework performs satisfactorily at low roughness lev- els, it tends to underestimate the friction factor at high roughness levels when also the Reynolds number is high. Additionally, in the transitional zone, the model’s predictions aligned more closely with the Nikuradse chart than with the Moody diagram, which might suggest that Jayatilleke’s sand-grain roughness wall function is mostly suitable for application to artificial roughness patterns, but it could result in inaccuracies for commercial roughness. These findings provide insights into the capabilities and the limitations of this framework, highlighting areas for further im- provement in model development.

Questa tesi indaga l’affidabilità dell’approccio RANS con il modello di turbolenza k − ε e la legge di parete "sand-grain" di Jayatilleke nel predire il flusso turbolento in condotte scabre. L’obiettivo è valutare l’accuratezza del modello fluidodinamico nel predire l’indice di resistenza per un ampio intervallo di numeri di Reynolds e scabrezze relative. La validazione delle simulazioni è stata effettuata facendo riferi- mento all’abaco di Moody e all’arpa di Nikuradse. I risultati numerici indicano che l’indice di resistenza è stimato in maniera soddisfacente per basse scabrezze rela- tive, mentre esso è significativamente sottostimato per elevate scabrezze relativi ed alti numeri di Reynolds. Inoltre, per moto turbolento di transizione, le previsioni del modello fluidodinamico sono maggiormente in accordo con l’arpa di Nikuradse rispetto che l’abaco di Moody, suggerendo che la legge di parete "sand-grain" di Jayatilleke sia più adeguata a simulare scabrezze regolari piuttosto che quelle carat- teristiche delle tubazioni commerciali. Questa tesi aiuta a comprendere i punti di forza e i limiti di questi modelli fluidodinamici, aprendo la strada ad ulteriori sviluppi.