Numerical analysis of stratified two-phase flow in horizontal pipes using VOF model

The main focus of the present work is the validation of the numerical simulation of two-phase stratified flow in horizontal pipes. Numerical simulations are performed using a 3D numerical domain with periodic boundary conditions coupled to a two-equation turbulence RANS model (SST k-w) and interface tracking method Volume of Fluid (VOF) in adiabatic operating conditions at several superficial gas and liquid velocities (i.e., several void fraction values). Numerical results are in agreement with the experimental data collected at Politecnico di Milano showing a more significant difference at high superficial gas velocity with mean absolute percentage error (MAPE) of around 29% on pressure gradient prediction. The comparison includes global quantities (e.g., pressure gradient) and visual behavior (e.g., the shape of the interface) confirming the capability of the numerical model to catch the main characteristics of the stratified fluid flow. Moreover, a sensitivity analysis is conducted, taking into account the density of moist air and a mesh refinement at the interface. Numerical results showed an improved agreement with experiments where the difference between gas and liquid superficial velocities was significant.

L'impegno principale del presente lavoro è la convalida del valore numerico simulazione del flusso stratificato bifase in tubi orizzontali. numerico le simulazioni vengono eseguite utilizzando un dominio numerico 3D con periodico condizioni al contorno rappresentano un modello RANS di turbolenza a due equazioni (SST kw) e al metodo di tracciamento dell'interfaccia Volume del fluido (VOF) in condizioni operative adiabatiche una diversa velocità superficiale di gas e liquido (ovvero diversi valori di frazione di vuoto). I risultati numerici sono in accordo con i dati sperimentali raccolti al Politecnico di Milano che mostrano una differenza più significativa ad alta velocità del gas superficiale con errore percentuale medio medio (MAPE) di circa il 29% sulla previsione del gradiente di pressione. Il confronto include quantità globali (ad es. Gradiente di pressione) e comportamento visivo (ad es. La forma dell'interfaccia) una conferma della capacità del modello numerico di catturare le principali caratteristiche del flusso del fluido stratificato. Inoltre, viene condotta un'analisi di sensibilità, tenendo conto della densità dell'aria e di un perfezionamento dell'interfaccia mesh. I risultati numerici hanno mostrato una migliore accordo con gli esperimenti in cui la differenza tra la velocità superficiale del gas e del liquido era significativa.