Simulazioni numeriche dirette del trasporto di particolato solido in flussi turbolenti

The transport of inertial particles in wall-bounded turbulent flows plays a crucial role in countless natural and industrial scenarios, including the study of dust dynamics in the Martian atmosphere. In these contexts, the inherent flow inhomogeneity drives complex segregation phenomena—chief among them turbophoresis—which dictates a rapid and massive migration of the dispersed phase toward solid boundaries. However, accurately predicting deposition rates and local concentrations represents a formidable fluid-dynamic and modeling challenge. Relying solely on the aerodynamic drag force systematically leads to an unphysical overestimation of wall accumulation. Therefore, the inclusion of the shear-induced lift force, which acts as a repulsive mechanism within the viscous sublayer, is strictly imperative. This thesis numerically investigates the dynamics of solid inertial particles in a turbulent half-channel flow at a friction Reynolds number of 180. The investigation is conducted through Direct Numerical Simulation (DNS) of the continuous phase, coupled with Lagrangian point-particle tracking, utilizing the open-source solver CaNS. Under the assumption of one-way coupling, an extensive parametric campaign was conducted by simultaneously tracking 12 particle classes, defined by distinct combinations of aerodynamic inertia St+ and gravitational settling parameter Stg. The core of the study consists of the critical analysis and comparison of two approaches for modeling the lift force: the classical Saffman (1965) model and the recent phenomenological CBP model (Costa, Brandt & Picano, 2020). Through the analysis of particle statistics and concentration profiles, the results of this study aim to rigorously benchmark these classical theories against more advanced phenomenological models, which are mathematically formulated to decouple from the longitudinal slip velocity in the near-wall region. The investigation demonstrates that both modeling approaches are broadly consistent and reliable in capturing the actual deposition balance of the particulate matter. However, the adoption of the advanced formulation allows for characterizing the diverse regimes—governed by the coupling between varying inertia and gravity conditions—with enhanced parametric stability and stricter physical adherence.

Il trasporto di particelle inerziali in flussi turbolenti confinati gioca un ruolo cruciale in innumerevoli scenari naturali e industriali, tra cui lo studio della dinamica delle polveri nell'atmosfera marziana. In questi contesti, l'intrinseca disomogeneità del flusso genera complessi fenomeni di segregazione, su tutti la turboforesi, che determina una rapida e massiccia migrazione della fase dispersa verso le pareti solide. Tuttavia, prevedere accuratamente i tassi di deposizione e le concentrazioni locali rappresenta una sfida fluidodinamica e modellistica notevole. L'assunzione della sola forza di resistenza aerodinamica porta sistematicamente a una sovrastima non fisica dell'accumulo a parete. Risulta pertanto imprescindibile l'inclusione della forza di portanza indotta dallo sforzo di taglio, la quale agisce come meccanismo repulsivo nel sub-strato viscoso. Il presente lavoro di tesi indaga numericamente la dinamica di particelle solide inerziali in un mezzo canale turbolento (half-channel flow) a un numero di Reynolds d'attrito pari a 180. L'indagine è condotta tramite Simulazione Numerica Diretta DNS della fase continua, accoppiata a un tracciamento Lagrangiano puntiforme point-particle, avvalendosi del solutore open-source CaNS. Sotto l'ipotesi di accoppiamento a una via one-way coupling, è stata condotta un'estesa campagna parametrica tracciando simultaneamente 12 classi di particelle, definite da diverse combinazioni di inerzia aerodinamica St+ e parametro di sedimentazione gravitazionale St_g. Il nucleo centrale dello studio consiste nell'analisi critica e nel confronto di due approcci per la modellazione della forza di Lift: il modello classico di Saffman (1965) e il recente modello fenomenologico CBP (Costa, Brandt & Picano, 2020). Attraverso l'analisi delle statistiche di particella e dei profili di concentrazione, i risultati di questo studio mirano a confrontare tali teorie classiche con modelli fenomenologici più avanzati, formulati matematicamente per svincolarsi dalla velocità di slittamento longitudinale in prossimità del muro. L'indagine dimostra come entrambe le modellazioni risultino ampiamente coerenti e affidabili nel catturare il reale bilancio di deposizione del materiale particolato. Tuttavia, l'adozione della formulazione avanzata permette di descrivere con una maggiore stabilità parametrica e aderenza fisica i diversi regimi, caratterizzati dall'accoppiamento tra inerzia e condizioni di gravità differenti.