Fundamental investigation of transport properties in open-cell foams

Open-cell foams are widely acknowledged as potential enhanced substrates for catalytic reactors, due to a number of promising features. High void fractions, low pressure drops, and the intense gas-to-solid transfer rates make foams attractive for many different catalytic processes in the quest for a more environmentally and energetically sustainable world. Moreover, their totally interconnected solid matrix grants effective heat conduction through the structure, strongly improving the global heat transfer performances of the support. Despite their great potential, however, the application of open-cell foams to industrial catalytic processes is limited by the poor understanding of the related transport phenomena. The large deviations between the experimental data and the predictions of the available literature correlations for momentum, mass and heat transfer in foams point out the need for a painstaking study of the relevant transport mechanisms. This thesis aims at the fundamental analysis of the transport properties of open-cell foams using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. CFD provides in fact a detailed insight into the flow field and the complex associated transport mechanisms. Moreover, it can be employed for the derivation of lumped parameters and descriptors by means of the hierarchical approach, thus enabling CFD-based engineering correlations. The application of this approach requires new methodologies for the generation of reliable virtual structures, in order to obtain computational domains representative of the complex geometry of foams. Moreover, the interpretation of the simulation data requires adequate models for the foam morphological parameters, like e.g. specific surface area, characteristic lengths. The thesis consists of two sections. In the first one, the main numerical and geometrical problems are addressed. In particular, a systematic procedure for the virtual generation of open-cell foams which totally retains all the geometrical features and properties of real structures has been developed. Based on a few pieces of readily available geometrical information, this methodology provides virtual foam samples reproducing the geometrical properties and the hydrodynamic behavior of real open-cell foams. For this purpose, a fully theoretical geometrical model has been derived, which is able to accurately predict the geometrical parameters and to provide accurate first guesses for the virtual reconstruction procedure. The solution of those problems granted the instruments required for the accurate investigation of the transport properties by means of CFD. Thus, in the second part of the thesis I have carried out the detailed analysis of the transport mechanisms. In particular, the analysis of external mass transfer properties has been performed in combination with dedicated experimental activity. The effect of the morphological features has been parametrically investigated and the results used to derive lumped parameters. Then, the pressure drop has been analyzed by means of an innovative approach. Virtual samples have been manufactured by means of 3D printing. Numerical simulations on the virtual models and experimental tests on the printed samples are employed together to understand the effect of the porosity, cell size and strut shape on the pressure losses. These results have enabled the derivation of an engineering correlation and the comparison of these substrates to other conventional catalytic supports based on the trade-off between external mass transfer and pressure losses. The global heat transfer performances of foams have been investigated aiming at establishing the impact of the geometrical parameters on their effective thermal conductivity. In doing so, we also derived an optimized geometry of open-cell foams that can increase the heat transfer and is ready to be generated by additive manufacturing techniques. Finally, we have qualitatively analyzed the interactions between multiphase flows and open-cell foams by carrying out simulations aiming at evaluating the static holdup and the liquid spreading through the structure.

Le schiume a cella aperta sono largamente riconosciute come un potenziale substrato per reattori catalitici a causa delle loro promettenti caratteristiche. Alti gradi di vuoto, basse perdite di carico e intenso trasferimento tra gas e solido rendono queste strutture attrattive per diversi processi catalitici, al fine di renderli maggiormente sostenibili da un punto di vista energetico e ambientale. Inoltre, la matrice solida, totalmente interconnessa, garantisce un’elevata conduzione termica, migliorando le proprietà globali di scambio termico del supporto. Nonostante il loro grande potenziale, l’applicazione di schiume a cella aperta a processi catalitici è limitata, attualmente, per la scarsa comprensione dei fenomeni di trasporto. Le deviazioni tra i dati sperimentali e le correlazioni ingegneristiche disponibili in letteratura per il trasferimento di quantità di moto, massa ed energia sono rilevanti ed evidenziano la necessità di uno studio globale e sistematico dei meccanismi di trasporto. Scopo primario di questa tesi è, quindi, l’analisi fondamentale delle proprietà delle schiume a cella aperta mediante simulazioni numeriche effettuate grazie alla Computational Fluid Dynamics (CFD): Tale strumento permette una dettagliata comprensione del campo di moto e dei meccanismi di trasporto. Inoltre, la CFD è un utile strumento per derivare sia correlazioni ingegneristiche che stime di parametri lumped per i fenomeni di trasporto. L’applicazione di tale metodo richiede, però, lo sviluppo di metodologie che permettano di generare accurate ricostruzioni virtuali di queste strutture affinché sia possibile costruire un dominio di calcolo rappresentativo della complessa geometria delle schiume. Lo sviluppo di tale procedura non è, tuttavia, sufficiente in quanto è necessario un adeguato modello geometrico che permetta l’accurata stima delle proprietà morfologiche; ad es. la superficie specifica, al fine di interpretare correttamente i risultati delle simulazioni. Questa tesi consiste di due sezioni. Nella prima, i problemi di carattere geometrico e numerico sono affrontati e risolti. A tale fine, è stata sviluppata una procedura sistematica di ricostruzione virtuale che genera schiume ricostruite che presentano le stesse caratteristiche geometriche di quelle reali. Attraverso questo metodo è possibile ottenere strutture virtuali che riproducono accuratamente le proprietà geometriche e il comportamento fluidodinamico delle strutture reali. Per ottenere una precisa ricostruzione virtuale è stato necessario sviluppare un modello geometrico capace di predire le caratteristiche morfologiche delle schiume e di fornire un adeguato primo tentativo alla procedura di ricostruzione. La creazione di questi due strumenti ha permesso la successiva analisi, attraverso CFD, delle proprietà di trasporto. Di conseguenza, nella seconda parte della tesi l’analisi dei fenomeni di trasporto è stata affrontata prestando particolare attenzione alla comprensione dei meccanismi di trasferimento di energia, quantità di moto e materia. Considerando quest’ultima, l’effetto dei diversi parametri geometrici è stato analizzato in modo sistematico in combinazione con dedicate attività sperimentali. I risultati di questo studio hanno permesso anche di derivare una correlazione ingegneristica per la stima dei coefficienti di trasporto. Dopodiché, è stata affrontata l’analisi delle perdite di carico. Un metodo innovativo è stato adottato: i campioni virtuali sono stati generati per mezzo di stampa 3D e testati in laboratorio. Le simulazioni sui modelli virtuali affiancate all’attività sperimentale sulle repliche stampate hanno permesso di comprendere l’effetto di porosità, diametro cella e forma dello strut sulle perdite di carico, di sviluppare una correlazione ingegneristica e di ottenere confronti quantitativi con altri supporti per catalizzatori. Successivamente, l’analisi delle proprietà globali di scambio termico è stata affrontata col fine di quantificare l’effetto delle caratteristiche geometriche sulla conducibilità termica efficace. Tale analisi ha permesso anche di derivare una struttura di schiuma a cella aperta ottimizzata per quanto riguarda lo scambio termico facilmente realizzabile attraverso le tecniche di stampa 3D. Infine, l’analisi qualitativa delle interazioni della struttura con un flusso multifase è stata considerata attraverso simulazioni capaci di valutare il contenuto e la distribuzione dinamica di liquido nella struttura.