LES and RANS applied to impinging jets at low nozzle-plate spacing. Causes of the secondary maxima and accuracy of both methods

Abstract

[ES] El presente documento reporta la evaluación de métodos RANS y LES en el modelado de "impinging jets" a distancias tobera-placa iguales a un diámetro y la habilidad para capturar el máximo secundario en el ratio de transferencia de calor a lo largo de la placa donde impacta. Tras una breve introducción donde se señala la motivación y objetivos del proyecto, una investigación bibliográfica sobre simples "impinging jets" circulares a altos números de Reynolds es llevada a cabo, centrándose en la transferencia de calor. Después, un estudio de influencia es llevado a cabo para Re=27,600 donde la resolución de la malla, modelo de turbulencia e hipótesis de axisimetría son evaluados, obteniendo resultados independientes de la malla para k-omega SST y k-kL-omega, pero no para v2f. En este estudio, la superior precisión de k-omega SST sobre los otros modelos es comprobada, así como la independencia del resultado respecto a la suposición de axisimetría y la falta de capacidad para capturar el segundo pico. Tras este estudio, el efecto del numero de Reynolds es medido en k-omega SST, desarrollando un estudio paramétrico para este modelo ya que fue demostrado ser el mas preciso en el estudio de influencia, notando que el modelo obtiene mejores resultados cuando no hay presencia del segundo máximo. En paralelo, una simulación LES es llevada a cabo con el propósito de estudiar la dinámica vortical, sin embargo, debido a la falta de tiempo y la compleja preparación, simplemente una temprana etapa de todo el proceso es llevada a cabo, señalando los futuros pasos para completar la simulación apropiadamente.

[EN] The present document reports the assesment of RANS and LES methods modelling impinging jets at nozzle to plate spacings equal to one diameter and the ability on capturing the secondary maxima in the heat transfer rate along the impingement plate. After a brief introduction which points out the project motivation and objectives, a literature review on single round impining jets at high Reynolds number is carried out, focusing in the heat transfer. Then, an influence study is made for Re=27,600 where the grid resolution, turbulence model and assumption of axisymmetry are assessed, obtaining mesh independet results for the k-omega SST and the k-kL-omega but not for the v2f. In this study, it is found the superior accuracy of the k-omega SST over the other models, as well as the non influence of the assumption of flow axisymmetry and the lack of capability to capture the second peak. After this study, the effect of the Reynolds number is measured in the k-omega SST, developing a parametric study for this model since it was proved to be the most accurate in the influence study, realizing that this model performs the best when the secondary maxima is not present. In parallel, a large eddy simulation is performed with the aim of studying the vortex dynamics, however, due to the lack of time and the complex set up, just an early stage of the whole precess is carried out, pointing out the future steps in order to complete the simulation properly.