CFD simulation of turbulent slurry flow in pipelines: preliminary investigation of turbulence modulation effects

The study of slurry pipe flows is of great importance due to their widespread application in various engineering fields, such as mining and dredging. Computational Fluid Dynamics (CFD) has emerged as an effective tool for analysing these flows, enabling detailed research of phase interactions and flow behaviour, and the possibility to address difficult-to-test components, such as large-diameter pipes or hydraulic devices and machinery. This thesis contributes to the development of Eulerian-Eulerian models based on the Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF), with particular emphasis on turbulence-particle interactions, as the accurate modelling of turbulence is crucial to obtain reliable predictions in conditions where experimental data are not available, preventing the validation of the simulation models. A baseline configuration is first established referring to the KTGF-based Eulerian-Eulerian model subject of investigation in a previous M.Sc. thesis, which utilizes only built-in functionalities of the CFD code Ansys Fluent. A different set of testing conditions was here considered, for which experimental data were available not only for the base slurry flow parameters, but also for more detailed turbulence-related variables. The analysis highlighted the strengths, but also the limitations of the existing model, which cannot be overcome by simply adjusting the tuning parameters, but require a different simulation framework. Therefore, in the last part of the thesis, the focus was on incorporating specific terms that account for the modulation in the fluid turbulence produced by the particles. After testing the built-in model for turbulence modulation available in Ansys Fluent, preliminary steps were made towards the incorporation of a simpler approach based on an extension of the mixing-length model of Prandtl to granular flows, which required the development of User Defined Functions (UDFs). Although not definitive, the findings obtained in this thesis constitute a promising base for future developments.

Lo studio dei flussi di slurry in condotta è di grande importanza per via della loro diffusa applicazione in diversi campi dell’ingegneria, come l’estrazione mineraria e il dragaggio. La Fluidodinamica Computazionale (CFD) si è affermata come uno strumento efficace per analizzare questi flussi, consentendo uno studio dettagliato delle interazioni di fase e del comportamento del fluido, oltre alla possibilità di analizzare componenti difficili da testare sperimentalmente, come tubazioni di grande diametro o dispositivi e macchinari idraulici. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di modelli euleriani-euleriani basati sulla Teoria Cinetica dei Flussi Granulari (KTGF), con particolare enfasi sulle interazioni tra turbolenza e particelle; un’accurata modellazione della turbolenza è infatti fondamentale per ottenere previsioni affidabili in condizioni in cui non sono disponibili dati sperimentali, fattore che impedirebbe la validazione dei modelli di simulazione. In primo luogo, viene stabilita una configurazione di base facendo riferimento al modello euleriano-euleriano basato sulla KTGF, già oggetto di indagine in una precedente tesi di laurea magistrale, il quale utilizza esclusivamente le funzionalità integrate del codice CFD Ansys Fluent. In questa sede è stato considerato un diverso set di condizioni di test, per il quale erano disponibili dati sperimentali non solo per i parametri fluidodinamici di base dello slurry, ma anche per variabili più dettagliate legate alla turbolenza. L’analisi ha evidenziato i punti di forza, ma anche i limiti del modello esistente, i quali non possono essere superati semplicemente aggiustando i parametri di calibrazione, ma richiedono un framework di simulazione differente. Pertanto, nell’ultima parte della tesi, l’attenzione si è concentrata sull’introduzione di termini specifici che tengono conto della modulazione della turbolenza del fluido indotta dalle particelle. Dopo aver testato il modello integrato per la modulazione della turbolenza disponibile in Ansys Fluent, sono stati compiuti dei passi preliminari verso l’implementazione di un approccio più semplice, basato su un’estensione del modello della lunghezza di mescolamento di Prandtl ai flussi granulari, il che ha richiesto lo sviluppo di Funzioni Definite dall’Utente (UDF). Sebbene non definitivi, i risultati ottenuti in questa tesi costituiscono una base promettente per gli sviluppi futuri.