Three-dimensional simulation of a turbulent submerged jet interacting with a wave environment

Industrial and domestic wastewater are usually discharged into the ocean environment as jets. The study of wave-jet interaction is fundamental to minimize the pollution of the marine environment. Dilution of wastewater into receiving waters depends on the mixing characteristics of fluids and on the turbulence characteristic of the jet. If the jet has a low Re number, the mixing will be laminar, otherwise it will be turbulent. In the laminar mixing the flow is dominated by viscous forces, and the shear generated between the ambient fluid and jet stretches the interface between them. In this mechanism, layers fold back upon themselves, overlapping. In the turbulent mixing, the flow features change in time and space. The differences in temporal and spatial velocity produce randomization of fluid particles. The turbulence features in the free, turbulent jet depend on the evolution of vortical structures. This mixing type is a highly effective mixing mechanism. As mentioned above, very often a fluid having a momentum and/or buoyancy exits an orifice and intrudes into a wider fluid unit with distinct characteristics, such as velocity, temperature, or density. Intrusions can be categorized according to whether they inject momentum, buoyancy, or both, in the ambient. Also, a jet can be classified as intermittent or continuous. Whenever a moving fluid with a velocity U0 enters a quiescent body of the same fluid, a velocity shear is generated between the entering and the ambient fluids, causing turbulence and mixing. This is, by definition, a free circular jet. The interaction between jets and waves can be analyzed both experimentally or through mathematical models and numerical simulations. These approaches allow for the analysis and understanding of the physical mechanisms behind this phenomenon, as well as the assessment of the impact of such interactions in various technical applications. In this work we refer to jets which are injections of fluid defined by momentum only. We deal with turbulent jets, which are the most frequent in real applications. A 3D Large Eddy Simulation was implemented to perform simulations of a jet, with and without waves, to examine the jet behavior in presence of waves. All simulations were run at a fixed Reynolds number value of the jet (Rej = 20000), and for different elevation values of outward waves. A preliminary simulation assuming a free surface without waves was also evaluated for reference purposes. Multiple analyses have been conducted, reporting results concerning the oscillating components, the mean velocities and the turbulent components.

Le acque reflue industriali e domestiche vengono solitamente scaricate nell’ambiente oceanico, sottoforma di getto. Lo studio dell’interazione onda-getto è fondamentale, al fine di minimizzare l’inquinamento dell’ambiente marino. La diluizione delle acque reflue nei corpi idrici recettori dipende dalle caratteristiche di miscelazione dei fluidi e dalle caratteristiche di turbolenza del getto. Se il getto ha un numero di Re basso, la miscelazione sarà laminare, altrimenti sarà turbolenta. Nella miscelazione laminare, il flusso è dominato da forze viscose e il taglio che si genera tra il fluido ambiente e il getto, deforma l’interfaccia tra essi. In questo meccanismo, gli strati di fluido si sovrappongono, strato su strato. Nella miscelazione turbolenta, le caratteristiche del flusso cambiano nel tempo e nello spazio. Queste differenze di velocità temporali e spaziali producono la randomizzazione delle particelle fluide. Le caratteristiche di turbolenza nel getto turbolento libero dipendono dall’evoluzione delle strutture vorticose. Questo tipo di miscelazione è un meccanismo di miscelazione altamente efficace. Come accennato, ci sono molte situazioni in cui un fluido con una certa quantità di moto e/o galleggiabilità esce da un ugello e penetra in un corpo fluido più grande con caratteristiche diverse, come velocità, temperatura o densità. Generalmente, questa intrusione è classificata in base al fatto che immettano quantità di moto, forze di galleggiamento o entrambe nell’ambiente. Inoltre, un getto può essere intermittente o continuo. Ogni volta che un fluido in movimento con una velocità U0 entra in un corpo quiescente dello stesso fluido, si genera una forza di taglio tra il fluido entrante e quello ambiente, provocando turbolenza e miscelazione. In questa circostanza abbiamo, per definizione, il getto circolare libero. L’interazione tra getti e onde può essere studiata sia sperimentalmente che attraverso modelli matematici e simulazioni numeriche. Questi approcci consentono l’analisi e la comprensione dei meccanismi fisici alla base di questo fenomeno, nonché la valutazione dell’impatto di tali interazioni in varie applicazioni tecniche. In questo lavoro ci riferiamo ai getti che sono iniezioni di fluido caratterizzate dalla sola quantità di moto. In particolare trattiamo i getti turbolenti, che sono i più frequenti nelle applicazioni reali. Una simulazione 3D di tipo LES (Large Eddy simulation) è stata applicata per eseguire simulazioni di un getto, con e senza onde, al fine di esaminate il comportamento del getto in presenza di onde. In particolare, tutte le simulazioni vengono eseguite per un valore fisso del numero di Reynolds del getto (Rej = 20000) e per diversi valori dell’elevazione delle onde superficiali. A scopo di riferimento viene inoltre effettuata una simulazione preliminare ipotizzando una superficie libera e priva di onde. Sono state effettuate numerose analisi, in particolare sono state ottenute le componenti oscillanti, le velocità medie e le componenti turbolente.