Feasibility analysis of a two-fluid solver for cavitation and interface capturing as implemented in OpenFOAM

The aim of this work is to evaluate the feasibility of the application of an Eulerian-Eulerian solver to simulate cavitation in injector-like geometries. In order to achieve this goal, the research started with the selection of the most suitable solver already implemented in OpenFOAM. Among the differ- ent two-fluid Eulerian-Eulerian solvers approach. Starting from the existing framework implemented in OpenFOAM, the aim was to implement a “ho- mogeneous reactor model” for cavitation in a compressible two-fluid solver. With this in mind, most of the efforts were oriented to obtain a full descrip- tion of the solver implementation and to outline differences with other solvers from the existing literature [2,15,19–21], when present. The link between the transport equations of the chemical species and the governing equations in the Eulerian-Eulerian framework was investigated, with particular focus on the correlation between the mass source term and the transport of the volume (void) fraction, to understand whether it is possible to correlate mass trans- port and volume fraction transport in a cavitation source term. The stencil of the equations reported in this thesis have been derived directly by the implementation of the equations in the software (OpenFOAM-dev, released by the OpenFOAM Foundation), to check the consistency with the published litterature, since no code documentation was available. Finally, the ability of the Euler-Euler solver to track the fluid interface is discused by a comparison with a Volume-Of-Fluid (VoF) solver, performed on a numerical experiment for validation available from the litterature.

Questo lavoro punta a valuare la fattibilità di applicazione di un metodo Eulero-Eulero per la simulazione CFD di flussi bifase in iniettori. Per ottenere questo risultato, il lavoro di ricerca è cominciato con la selezione di un solu- tore già implementato in OpenFoam, tra i vari solutori Eulero-Eulero bifase. Partendo dal codice implementato in OpenFOAM l’obiettivo era di imple- mentare un “modello di reattore omogeneo” per la cavitazione in un solutore comprimibile e bifase. Detto ciò, è importante sottolineare che la maggior parte del lavoro è stato orientato alla corretta descrizione del solutore come implementato e all’identificazione delle differenze del suddetto solutore con altri analoghi presenti in letteratura [2,15,19–21]. Particolare attenzione è stata posta nell’individuare il legame tra le equazioni di trasporto delle specie chimiche e le equazioni costitutive del modello Eulero-Eulero, più precisa- mente è stata ricercata una correlazione tra il termine sorgente dell’equazione del trasporto della massa e quello dell’equazione del trasporto della frazione in volume, per capire se fosse possibile correlare il trasporto della massa e il trasporto della frazione volumetrica con un termine sorgente di cavi- tazione. Le equazioni derivate in questa tesi sono state derivate direttamente dall’implementazione delle stess nel software (OpenFOAM-dev,rilasciato da OpenFOAM Foundation), per verificare la consistenza con la letteratura di riferimento, visto che nessua documentazione riguardo il codice è presente. Infine, le capacità di tracciare l’interfaccia tra due fluidi è discussa per il mod- ello Eulero-Eulero attraverso un confronto con un solutore che usa l’approccio del “Volume dei Fluidi” (VoF). Questo confronto è stato attuato tramite un esperimento numerico per la validazione disponibile in letteratura.