CFD modeling of two-phase boiling flows in the slug flow regime with an interface capturing technique

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value.
Questa tesi si è posta l'obiettivo di migliorare il codice commerciale CFD Ansys Fluent, per ottenere un solutore in grado di compiere simulazioni accurate di flussi in ebollizione nel regime slug flow. Un codice numerico affidabile permette una miglior comprensione della dinamica della bolla causata dall'evaporazione, rendendo possibile la stima dello scambio termico alla parete. Per limitare il costo computazionale delle simulazioni, il problema è modellato con una formulazione assialsimmetrica. Le fasi liquido e vapore sono incomprimibili ed in moto laminare. Attraverso un approccio di tipo single fluid, le equazioni che governano il moto sono scritte come per un flusso a fase singola, tuttavia discontinuità ed effetti di interfaccia vanno introdotti e discretizzati propriamente. Fluent dispone di una tecnica di tipo Volume-of-Fluid per l'avvezione dell'interfaccia e per mappare le discontinue proprietà del fluido su tutto il dominio. Nello slug flow gli effetti di interfaccia sono dominanti, di conseguenza l'accuratezza con cui essi sono calcolati è fondamentale per la veridicità del solutore. A tale scopo, sono state introdotte nel codice numerico delle funzioni esterne, sviluppate appositamente per il calcolo della tensione superficiale e dello scambio di massa ed energia all'interfaccia come conseguenza dell'evaporazione. Le migliori prestazioni del codice modificato rispetto a quello originale sono dimostrate attraverso numerosi casi test. Per provare la validità del nuovo codice numerico nella riproduzione di reali configurazioni di flusso, sono stati simulati diversi flussi adiabatici ed il confronto con i risultati sperimentali è molto positivo. La simulazione dell'evaporazione di una bolla singola evidenzia che la convezione transitoria nel liquido, successivamente al passaggio della bolla, ha un effetto dominante sul coefficiente di scambio termico globale. La simulazione di bolle multiple che evaporano in sequenza mostra che la loro influenza r