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I flussi turbolenti sono il tipo più comune di flussi fluidodinamici che si incontrano nella vita di tutti i giorni. Essi vengono spesso sfruttati poiché presentano diversi vantaggi. Tuttavia, lo studio di questi flussi è generalmente più complesso, sia dal punto di vista computazionale che della modellazione. In questo lavoro, si analizza la comprensione del flusso turbolento attraverso un fascio di tubi, al fine di prepararsi a studi successivi sull’interazione fluido-struttura. Questo studio fa parte del progetto europeo GO-VIKING, che affronta la principale causa di guasto nelle centrali nucleari di oggi: le vibrazioni indotte dal flusso. Il Von Karman Institute è uno dei partner del progetto ed è stato incaricato della costruzione e della gestione della struttura sperimentale GOKSTAD. Questo lavoro mira a confrontare i risultati sperimentali con quelli numerici.
Come primo passo, è stata ottenuta la generazione di un flusso completamente sviluppato, sia laminare che turbolento, in un canale preliminare con la stessa sezione trasversale di quello studiato. Questo flusso è stato poi utilizzato come condizione di ingresso nella simulazione della geometria GOKSTAD. Nel caso delle simulazioni URANS, è semplice campionare i risultati di un flusso stazionario sviluppato e utilizzarli come condizione al contorno in ingresso. Nel caso delle simulazioni LES, invece, la procedura è più complessa: è stato utilizzato un software di accoppiamento chiamato preCICE, che permette di ottenere un accoppiamento fluido-fluido a ogni passo temporale tra il canale preliminare e la geometria GOKSTAD.La generazione della mesh è stata effettuata con particolare attenzione al raffinamento nella regione del fascio di tubi. È stato utilizzato il software di meshing CUBIT, che permette di suddividere il dominio in regioni più piccole e di creare una mesh indipendentemente l’una dall’altra. La mesh ottenuta è una mesh strutturata esaedrica, con bassa asimmetria generale e bassa percentuale di non-ortogonalità. La creazione della mesh è stata particolarmente complessa per la necessità di garantire una mesh simile all’uscita del canale preliminare e all’ingresso della geometria GOKSTAD. Questa procedura è stata eseguita per la portata più bassa degli esperimenti, corrispondente a U_bulk=0.125m/s, mentre per la portata più alta (U_bulk=0.2 m/s) sono state condotte solo simulazioni URANS.
Viene poi presentato un confronto con i test PIV. I risultati evidenziano che le simulazioni LES sono estremamente vicine ai dati PIV sia per le statistiche di primo che di secondo ordine della turbolenza: velocità media, deviazioni standard e energia cinetica turbolenta. Le simulazioni URANS, invece, riescono a catturare bene le velocità medie, ma le altre statistiche risultano fuori dai limiti accettabili. Questo problema si accentua per piani diversi da quello a metà altezza del canale: le simulazioni LES rimangono accurate ma leggermente meno rispetto al piano di metà altezza, mentre le URANS peggiorano ancora di più. Anche le mappe di contorno differiscono dai dati PIV in entrambi i casi, ma sono comunque utili per analizzare le differenze nel comportamento del flusso tra le simulazioni URANS e LES attorno e a valle del fascio di tubi. In particolare, i getti creati alla fine della regione del fascio si uniscono in due getti più grandi nel caso URANS, mentre nel caso LES si formano tre getti principali.
Gli sviluppi futuri prevedono l’aggiunta del movimento del fascio alle simulazioni LES. Dai dati PIV, si può osservare l’influenza della curvatura del circuito chiuso prima dell’ingresso, che porta a deviazioni nelle velocità medie non considerate in questo lavoro. Un miglioramento del modello dell'inlet, basato sulla curvatura, potrebbe aumentare la precisione rispetto ai dati PIV. Inoltre, un ulteriore raffinamento della mesh potrebbe consentire di simulare portate più elevate.

Turbulent flows are the most common type of fluid-dynamic flows that is encountered in everyday life. They are often exploited since they have quite advantages, e.g. delay the flow separation in airfoils. Although the study of these flows is typically more challenging, both from computationally and modelling point of view. In this work, the understanding of turbulent flow through a bundle is addressed, in order to prepare for later studies of fluid-structure interaction. This study is part of the European project called GO-VIKING, which is addressing the main cause of failure in today's nuclear power plants: flow-induced vibrations. Von Karman Institute is one of the partners, and assigned to construct and operate of the GOKSTAD facility for experimental research. This work, is assessed to compare the experimental results to numerical ones. First, the generation of a developed flow, both laminar and turbulent, was achieved in a precursor channel with the same cross-section as the one to be studied. This flow was used then as inlet condition in the simulation of the GOKSTAD geometry. With URANS, it is straightforward to sample the results of developed steady-state flow and insert them in the inlet condition. While for LES, procedure is a bit more sophisticated: the use of a coupling library called preCICE is used to obtain a fluid-fluid coupling at each time step of the simulation between precursor channel and GOKSTAD geometry. Mesh generation is performed with close attention to refinement in the bundle region. CUBIT meshing software was used, since it allows to divide the domain in smaller region and mesh them independently, with creation of journals to create parametric scripts in order to speed up the process. The obtained mesh is a structured, hexahedral mesh, with low general skewness and low non-orthogonality percentage. The mesh creation is challenging due to the requirement to a similar mesh of the inlet of GOKSTAD as the precursor channel outlet. This procedure was performed for the lowest mass flow rate of the experiments, corresponding to U_bulk=0.125 m/s, and instead only URANS were carried out for the higher mass flow rate (U_bulk=0.2 m/s). A comparison with PIV tests is presented. The results remark that LES simulations are extremely close to PIV results both in first and second order turbulence statistics in mid-height plane: average velocity, standard deviations and turbulent kinetic energy. While URANS can capture mean velocities quite well, but other statistics are out of the acceptable bound. This become more trickier for planes not at mid-height of the channel: LES results are still accurate but less than mid-height sample, instead URANS are even less accurate compared to mid-height. Furthermore, spanwise velocity are quite different from PIV, both in LES and URANS. The contour plots differs from PIV results in both cases too. But they can help to analyze the difference in behavior between URANS and LES flow around and after the bundle. In particular, the jets created at the end of bundle region are uniting in 2 larger ones for URANS case, while 3 larger jest are created in LES case. AT the same time, the oscillatory behavior through passing each pipes line is detected similarly from URANS and LES. Further developments will be adding to the LES simulation the moving bundle. From PIV it is possible to see the influence of the curvature of the closed loop facility before inlet. Indeed, it possible to notice a deviations of mean velocities that is not taken into account in this work since the precursor channel is straight. A modelling of the inlet condition obtained from the precursor channel can be implemented to increase the accuracy compared to PIV. In addition, refining the mesh to compute higher mass flow rates can be another option.