Projection of particles from the turbulent flow: the fundamental link to the understanding of erosive wear mechanism

This thesis advances the understanding of turbulent erosion wear in particle-laden flows by investigating the role of coherent turbulent structures—particularly Large-Scale Motions (LSMs) and, potentially, Very Large-Scale Motions (VLSMs). These structures account for a significant contribution of the turbulent kinetic energy, being up to 60\%, which can be transferred to entrained particles, driving them toward surfaces and causing erosion. The analysis reveals clear evidence about correspondence between the dynamics of these structures and the experimentally observed impact velocities and angles derived from wear scars, thereby confirming the central hypothesis that turbulent structures govern the erosion process. Key flow and particle parameters including: Reynolds number, Stokes number, particle concentration, impact angle, and velocity. These parameters were found to influence the frequency and distribution of erosive impacts. The study integrates advanced simulation techniques (Large Eddy Simulation coupled with Multi-Phase Particle-in-Cell modelling) and innovative experimental tools such as Ultrasound Particle Imaging Velocimetry (UPIV) and Particle Tracking Velocimetry (PTV) to characterize both the fluid-phase turbulence and the resulting particle behaviour near solid boundaries. Importantly, the findings support a shift toward energy-based erosion models that consider eroded surface hardness and resolved flow structures, moving beyond traditional yield stress-based formulations. A reduced-order analysis using POD and wavelet transforms revealed that a small number of energetic modes could predict the spatio-temporal coherence of sweep events responsible for particle impacts. Additionally, the use of surrogate particles matched by Stokes time response enabled efficient simulations of large experimental particles without compromising LES resolution. Although challenges remain in quantifying long-term surface mass loss and resolving near-wall effects in greater detail, this work establishes a robust framework for predictive modelling of erosion wear. It proposes the fundaments for future development of more accurate, computationally efficient, and experimentally validated models applicable to industrial systems such as pipelines and slurry transport infrastructure.

Questa tesi contribuisce all’avanzamento della comprensione dell’erosione turbolenta in flussi carichi di particelle, indagando il ruolo delle strutture coerenti della turbolenza—con particolare attenzione ai movimenti su larga scala (Large-Scale Motions, LSMs) e, potenzialmente, ai movimenti su scala molto ampia (Very Large-Scale Motions, VLSMs). Queste strutture rappresentano una parte significativa dell’energia cinetica turbolenta, fino al 60%, che può essere trasferita alle particelle trascinate, spingendole verso le superfici e causando erosione. L’analisi rivela prove evidenti della corrispondenza tra la dinamica di queste strutture e le velocità e angoli di impatto osservati sperimentalmente dalle tracce di usura, confermando così l’ipotesi centrale secondo cui le strutture turbolente governano il processo erosivo. Parametri chiave del flusso e delle particelle includono: numero di Reynolds, numero di Stokes, concentrazione di particelle, angolo e velocità d’impatto. È stato riscontrato che questi parametri influenzano la frequenza e la distribuzione degli impatti erosivi. Lo studio integra tecniche di simulazione avanzate (Large Eddy Simulation accoppiata con la modellazione Multi-Phase Particle-in-Cell) e strumenti sperimentali innovativi come l’Ultrasound Particle Imaging Velocimetry (UPIV) e la Particle Tracking Velocimetry (PTV), per caratterizzare sia la turbolenza della fase fluida che il comportamento delle particelle vicino alle superfici solide. È particolarmente rilevante che i risultati supportino una transizione verso modelli di erosione basati sull’energia, che considerano la durezza della superficie erosa e le strutture fluide risolte, superando le tradizionali formulazioni basate sulla tensione di snervamento. Un’analisi a ordine ridotto tramite POD e trasformate wavelet ha rivelato che un numero limitato di modi energetici può prevedere la coerenza spazio-temporale degli eventi di sweep responsabili degli impatti delle particelle. Inoltre, l’uso di particelle surrogate abbinate al tempo di risposta di Stokes ha permesso simulazioni efficienti di particelle sperimentali di grandi dimensioni senza compromettere la risoluzione LES. Sebbene rimangano sfide nella quantificazione della perdita di massa superficiale a lungo termine e nella risoluzione degli effetti vicino alla parete con maggiore dettaglio, questo lavoro stabilisce un solido quadro per la modellazione predittiva dell’usura da erosione. Propone le basi per lo sviluppo futuro di modelli più accurati, computazionalmente efficienti e convalidati sperimentalmente, applicabili a sistemi industriali come condotte e infrastrutture per il trasporto di fanghi.