A systematic procedure for the virtual reconstruction of open-cell foams

The purpose of this thesis work is the geometrical reconstruction and the analysis of the flow field of open-cell foams. Foams (aka sponges) are cellular materials characterized by high specific surface area, high heat and mass transfer coefficients and low pressure drops. These features make them a potential and innovative catalyst support. However, it is still difficult to assess the performance of reactors packed with catalysed foams, since available literature data and correlations do not enable to accurately predict specific area, pressure drop, mass and heat transfer rates. In this work, we investigate geometrical and fluid dynamic properties of open-cell foams by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD is a valuable tool able to perform an accurate analysis of the complex flow field within these structures, as well as of mass and heat transfer. The problem involved in this analysis is the creation of a suitable computational domain that reflects the real structure of these supports. The task is not trivial, since real foams have a disordered structure, constituted by a series of interconnected cells with different dimensions, packed together to fill the space. The digital reconstruction of a foam requires the geometrical description of the cells, which are modelled as polyhedrons. A reconstruction methodology, able to virtually generate a foam from commonly available geometrical parameters, i.e. void fraction, cell diameter and strut shape, is described in this thesis. The procedure is validated for foams with struts with circular cross-section, because experimental data of specific surface areas and pressure drops are largely available in literature. The analysis is performed on samples with different pore dimension and pore density, to evaluate the accuracy of the virtual reconstruction of open-cell foams. The reconstructed foams show a good accord with experimental data, in terms of both geometric properties and fluid-dynamic behaviour.

Scopo di questo lavoro di tesi è la ricostruzione geometrica e l’analisi del campo di moto di schiume a cella aperta. Le schiume sono materiali cellulari caratterizzati da un’alta superficie di scambio, alti coefficienti di scambio di calore e materia, e perdite di carico ridotte. Queste caratteristiche le rendono strutture interessanti come supporto innovativo per catalizzatori. Tuttavia, ancora oggi è difficile valutare le prestazioni di reattori impaccati con schiume catalitiche, dal momento che non esistono ancora sufficienti dati e correlazioni soddisfacenti per descrivere accuratamente area specifica, perdite di carico o scambio di calore e materia. Durante questo lavoro ci siamo occupati di investigare le proprietà geometriche e fluidodinamiche delle schiume a cella aperta mediante analisi numerica, attraverso la Computational Fluid Dynamics (CFD). La CFD è un potente strumento di calcolo che permette di condurre un’accurata analisi sul complesso campo di moto all’interno di queste strutture, e sullo scambio di calore e di materia. Il problema di questa analisi è la creazione di un appropriato dominio di calcolo che rispecchi la reale struttura di questi supporti. Il problema non è banale, poiché le schiume reali possiedono una struttura tipicamente disordinata, determinata da un’interconnessione di celle di dimensioni diverse che riempiono completamente lo spazio. La ricostruzione di una schiuma reale impone la descrizione geometrica delle celle, modellate in prima approssimazione come poliedri. È stata elaborata una metodologia di ricostruzione che a partire da informazioni geometriche comunemente disponibili, grado di vuoto, diametro della cella e forma della sezione dello strut, permette di ottenere una schiuma virtuale. La vasta disponibilità in letteratura di valori sperimentali dei dati geometrici e delle perdite di carico per le schiume con strut a sezione circolare ha permesso la validazione della metodologia su questo tipo di schiume. Sono stati studiati differenti campioni con diversa porosità e diversa densità dei pori per valutare la capacità della procedura numerica di ricostruire virtualmente schiume a cella aperta reali. La ricostruzione mostra un buon accordo con i valori sperimentali, in termine di proprietà geometriche e comportamento fluidodinamico.