Riassunto analitico
The aim of this thesis work is to investigate the interaction between a jet and a solid wall. Specifically, an attempt to evaluate the influence on the case studies of both the turbulent entrainment phenomenon and the so called Coandă effect has been made. The flow chosen to perform the numerical experiments is the temporal planar jet and the computational method carried out is the direct numerical simulation (DNS). The latter has been chosen to obtain a detailed view of the analyzed phenomena at each turbulence scales. The idea behind this work is analyze the spreading and the mixing of a passive scalar under the combined effect between the jet and the wall, basing on the publication “Numerical experiments on turbulent entrainment and mixing of scalars“ written by the Professor Andrea Cimarelli and the PhD Gabriele Boga in 2021.
Firstly, a reference simulation of a free-jet has been performed to empathize all the differences between the free shear flow and the following wall-bounded shear flows. Afterwards has been settled three wall-bounded shear flow cases, ordered by a geometric series at different distance from the solid wall. In detail, the chosen distance parameters are L/H=[6, 3, 1.5], where L is the distance between the wall and the jet centerline and H is the jet thickness used to normalize the values. The Reynolds number is set to Re=3000 and for the temperature passive scalar the Schmidt number is Sc=1.
For each case study, two different realizations has been considered in order to try to improve the statistical convergence and obtain clearer results.
The results of the experiments were then compared with those of the known free jet and subsequently compared with each other to highlight similar behaviours. In the top interface of each jet case under consideration, no noteworthy influences are observed due to the contact of the bottom interface with the wall, maintaining, as in the free-jet, a self-similar behaviour throughout the simulation. For this reason, the trends of the top interface quantities will be neglected and considered as already well known as reported in the previously mentioned paper.
The bottom interface of the jet has been further analysed to determine if the trends of the different parameters under consideration remained scalable for different cases, indicating intriguing connections between cases H=1.5 and H=3.
Case H=6 exhibits trends that differ from those previously observed, denoting behaviours associated with a different class of phenomena when the jet's initial configuration moves away from the wall.
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Abstract
L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di studiare l'interazione tra un getto e una parete solida. In particolare, è stato fatto un tentativo di valutare l'influenza sui casi studio sia del fenomeno di trascinamento turbolento che del cosiddetto effetto Coandă. Il flusso scelto per eseguire gli esperimenti numerici è il getto planare temporale e il metodo computazionale eseguito è il direct numerical simulation (DNS). Quest'ultimo è stato scelto per ottenere una visione dettagliata dei fenomeni analizzati a ciascuna scala di turbolenza. L'idea alla base di questo lavoro è analizzare la diffusione e la miscelazione di uno scalare passivo sotto l'effetto combinato tra il getto e la parete, basandosi sulla pubblicazione "Numerical experiments on turbulent entrainment and mixing of scalars" scritta dal Professor Andrea Cimarelli e dal PhD Gabriele Boga nel 2021.
Innanzitutto, è stata eseguita una simulazione di riferimento di un getto libero per emfatizzare tutte le differenze tra il free shear flow e i successivi free shear flows delimitati dalla parete. Successivamente sono stati stabiliti tre casi free shear flow delimitato da parete, ordinati da una serie geometrica a distanza differente dalla parete solida. In dettaglio, i parametri di distanza scelti sono L/H=[6, 3, 1.5], dove L è la distanza tra la parete e l'asse del getto e H è lo spessore del getto utilizzato per normalizzare i valori. Il numero di Reynolds è impostato a Re=3000 e per lo scalare passivo della temperatura il numero di Schmidt è Sc=1.
Per ogni caso di studio, sono state considerate due diverse realizzazioni per cercare di migliorare la convergenza statistica e ottenere risultati più chiari.
I risultati degli esperimenti sono stati quindi confrontati con quelli del getto libero noto e successivamente confrontati tra loro per evidenziare comportamenti simili. Nell'interfaccia superiore di ogni caso di getto in esame, non si osservano influenze degne di nota dovute al contatto dell'interfaccia inferiore con la parete, mantenendo, come nel getto libero, un comportamento auto-simile per tutta la simulazione. Per questo motivo, le tendenze delle quantità dell'interfaccia superiore saranno trascurate e considerate come già ben note, come riportato nel documento menzionato in precedenza.
L'interfaccia inferiore del getto è stata ulteriormente analizzata per determinare se le tendenze dei diversi parametri in esame rimanessero scalabili per casi diversi, indicando connessioni intriganti tra i casi H=1,5 e H=3.
Il caso H=6 mostra tendenze che differiscono da quelle osservate in precedenza, denotando comportamenti associati a una diversa classe di fenomeni quando la configurazione iniziale del getto si allontana dalla parete.
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