Development of a compressible VOF solver for cavitating flows

Multiphase nature of the flows during liquid injection into a quiescent air environment is a recurrent set-up in several applications. Some examples are the liquid injection in propulsion systems for rockets, fuel injection in gas turbines, in engines and also in pharmaceutical sprays. The complex physics behind the liquid atomization process makes its study extremely difficult. The fluid dynamics of the spray and the atomization process is strongly dependent on the in-nozzle conditions; in particular, it is influenced by the pressure and high-Reynolds upstream internal flow which, in turn, is strongly affected by cavitation. Hence, cavitation plays an important role in the atomization process. Experiments remain very difficult and expensive to perform due to small size of the injectors, hence the development of CFD codes is needed to understand this phenomenon. This work will present the development of a fully compressible Volume of Fluids (VOF) solver for three fluids (liquid, vapour and non-condensable gases), two of which are miscible. Cavitation is modeled following the widely used Homogenous Equilibrium Model (HEM) approach. A barotropic Equation of state (EoS) is used to connect density to pressure and temperature variation. The inclusion of the thermal effects can give the chance to formulate a more general and versatile approach for cavitating flows. Finally, a detailed verification of the novel code will be provided on one-dimensional test cases aimed to assess the boundedness and convergence of the solution and the accuracy of the interface capturing method. The code will be also validated with an high-pressure injection experiment present in literature and widely used to validate CFD codes.

La natura dei flussi multifase nell’iniezione di liquido in aria è un set-up ricorrente in diverse applicazioni. Alcuni esempi sono l’iniezione liquida in sistemi propulsivi per razzi, l’iniezione di combustibile in motori a gas e gli spray farmaceutici. La complessa fisica dietro al processo di atomizzazione liquida ne rende difficile lo studio. La fluidodinamica degli spray e del processo di atomizzazione è fortemente dipendente dalle condizioni nell’ugello; in particolare, è influenzata dalla pressione e dagli alti Reynolds a monte, i quali a loro volta sono influenzati dalla cavitazione. Quindi, la cavitazione gioca un ruolo importante nel processo di atomizzazione. Le campagne sperimentali rimangono ancora molto complesse e costose da eseguire a causa delle dimensioni ridotte degli iniettori, di conseguenza è necessario lo sviluppo di codici CFD per comprendere il fenomeno. Questo lavoro presenterà lo sviluppo di un solutore Volume of Fluids (VOF) comprimibile per tre fluidi (liqudo, vapore e gas non condensabili), due dei quali miscibili. La cavitazione è modellata usando il diffuso approccio Homogenous Equilibrium Model (HEM). Viene usata un’equazione di stato barotropica per legare le variazioni di densità a quelle di pressione e temperatura. L’aggiunta nel modello degli effetti termici rende la modellazione della cavitazione molto più generale e versatile. Infine, verrà proposta una verifica dettagliata del nuovo solutore usando dei test case monodimensionali mirati a testare la convergenza e la conservazione della soluzione ed allo stesso tempo per testare l’accuratezza del metodo di cattura dell’interfaccia. Il codice verrà anche validato usando un esperimento ad alte pressioni presente in letteratura ed ampiamente utilizzato nelle validazioni di codici CFD.