Experimental and numerical analysis of confined parallel jets

Fluid dynamics is an interdisciplinary field whose researches touch several scientific and industrial sectors including high-efficiency energetic processes, heat transfer, combustion, environmental problems, health, and turbulence. This last field is of particular interest since improvements in the knowledge of its phenomenology are indeed useful in the other fields of study. Starting from these considerations, the present thesis is focused on the study of parallel confined jets, whose applications encompass the research projects mentioned above, in order to analyze the flow field and mixing phenomena via an experimental campaign and numerical study. The experimental facility, designed and assembled at Politecnico di Milano, is composed of 5 parallel pipes (internal diameter D=0.0212 m) issuing into a rectangular plenum (LxHxW:0.545x0.05x0.165 m). The working fluid is water and the Reynolds number based on the internal pipe diameter is 〖Re〗_D=〖10〗^4. Numerical simulations via Unsteady-Reynolds Averaged Navier Stokes (U-RANS) and Large Eddy Simulation (LES) were performed with the software ANSYS FLUENT 12.1.2 in order to analyze the mixing phenomenon and identify appropriate turbulence models for a correct reproduction of the parallel confined jets behavior. A comparison between experimental measurements (LDV) and numerical data (U-RANS and LES) was executed to validate the numerical results as well as evaluate the limitations of the U-RANS approach with respect to the more computationally expensive LES method. Mean velocity profiles and turbulence properties are analyzed at different locations of the plenum in order to have enough details to truly comprehend the development of this phenomenon and validate the numerical models. Experimental results show a series of common phenomena what jets are treated, attributable to the forces deriving from the jet-to-jet and jet-to-wall interactions. Among the numerical results, that globally show an underestimation of mean velocity and turbulence profiles, the non linear models were found to better represent the flow field under study. Inaccuracies in both mean velocity and turbulence profiles are also present when LES was used for the prediction of the flow, and further studies are being conducted for the analysis of this behavior

Accurate ricerche in campo fluidodinamico trovano sbocco in diversi settori scientifici e industriali che includono processi energetici ad efficienza migliorata, trasmissione del calore, combustione, problemi ambientali, sviluppi in medicina e studi della turbolenza. Quest’ultimo campo è di particolare interesse, in quanto miglioramenti nella conoscenza della sua fenomenologia hanno riscontri anche negli altri settori industriali e scientifici. Partendo da queste considerazioni, questa tesi si concentra nello studio di getti paralleli confinati, le cui applicazioni rientrano nei processi di ricerca sopra elencati, analizzando il campo fluidodinamico e i fenomeni di miscelamento attraverso una campagna sperimentale e uno studio numerico. L’apparato sperimentale utilizzato è stato sviluppato e realizzato al Politecnico di Milano ed è costituito da 5 tubi paralleli (diametro interno D=0.0212 m) che si inseriscono in un plenum rettangolare (LxHxW:0.545x0.05x0.165 m). Il fluido di lavoro è acqua a temperatura ambiente e il numero di Reynolds basato sul diametro interno dei tubi è 〖Re〗_D=〖10〗^4. Simulazioni numeriche tramite le Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) e Large Eddy Simulation (LES) sono state realizzate con il software ANSYS FLUENT 12.1.2 con lo scopo di analizzare il fenomeno di miscelamento e identificare modelli di turbolenza appropriati per riprodurre correttamente il comportamento dei getti. Un confronto tra le prove sperimentali (LDV) e i risultati numerici (U-RANS e LES) è stato effetuato per validare i modelli numerici e valutare le limitazioni dell’approccio URANS rispetto alla LES, la quale richiede risorse computazionali maggiori. Profili medi di velocità e sforzi turbolenti sono stati analizzati in differenti sezioni del plenum per avere un adeguato dettaglio utile a comprendere lo sviluppo di questo fenomeno e validare i modelli numerici. Risultati sperimentali mostrano come il comportamento dei getti nella configurazione qui analizzata includa una serie di fenomeni che sono comuni nelle diverse trattazioni dei getti, attribuibili alle diverse forze in gioco presenti durante le interazioni getto-getto e getto-parete. Tra i risultati numerici, che in generale mostrano una sottostima dei profili di velocità e turbolenza, quelli che sono riusciti a predirre meglio il campo di moto sono i modelli non lineari. La LES invece, ha mostrato invece diverse inaccuratezze sia nei profili di velocità media che turbolenti, che verranno analizzate in studi futuri.