3D simulations of ascending bubbles in a denser medium

The rise of a bubble in a denser fluid has been always a tough topic for CFD realization. Problematics like building an efficient interface reconstruction, developing a performing turbulence model or a suited multi phase solver are not trivial and need to be solved in order to represent correctly the physics of the simulations. The multiphase software BONSAI has already been validated for conducting realistic 2D simulations of ascending bubbles . Within the scope of this work the code has been updated to run 3D scenarios. The considerable amount of computational cost to run fine grid simulations led to a study on the MPI performances of the solver. Moreover particular interest has been paid to the substances known as surfactants. They are known to have the property of modifying the surface tension of an interface film. Previous studies have reported interesting alteration of rising bubbles behavior, therefore the effects of surfactant concentration have been investigated and validated with the available results. The numbers have granted even at relatively coarse resolution a good accordance with both experimental reports and other numerical analysis, throwing the basis for further future investigations.

Lo studio di bolle disperse in un fluido ha catturato negli anni un grande interesse da parte del settore industriale. Processi chimici coinvolti nella combustione, sedimentazione o estrazione fanno affidamento sulla conoscenza del comportamento di scenari multifase. Recentemente poi è salito l'interesse sull'effetto di bolle sull'attrito di corpi immersi in un liquido: è stato dimostrato infatti che in certe condizioni è possibile ridurre l'attrito all'interno dello strato limite turbolento.In queste applicazioni l'uso di bolle è sempre impiegato in combinazione con tensioattivi (o surfattanti), che presentano interessanti proprietà sull'interazione fra fase dispersa e fase continua. Nel corso di questa tesi ha avuto luogo un' analisi del moto di bolle ascendenti tridimensionali in un liquido a maggiore densità per mezzo di fluidinamica computazionale. Il software utilizzato è BONSAI, sviluppato in primis da Felix Schranner alla Technische Universitaet Muenchen. Gli scopi prefissi per questa dissertazione possono essere divisi in tre. Innanzitutto è stata debuggata e resa operativa una versione non funzionante del codice in tre dimensioni: BONSAI infatti, pur essesndo stato testato con ottimi risultati in 2D non contava scenari portati a termine con successo in 3D.\\ In secondo luogo si è cercato di migliorare le performance del codice in termine di run time, poichè data la compplessità di BONSAI condurre jobs ad alta risoluzione comporta tempistiche considerevoli. In questo senso il risultato più rilevante è state ottenuto mediante la creazione di una nuova MPI routine. Infine si è proseguito il lavoro conducendo simulazioni 3D di bolle ascendenti con diversi setup, prestando particolare attenzione all'effetto imposto da una variabile concentrazione di tensioattivo. I risultati, anche utilizzando mesh non troppo fini, hanno dimostrato un buon accordo con la teoria, esperimenti riportati dalla letteratura ed altre analisi numeriche.