Preliminary CFD simulation of the flow in a hydrocyclone for particle separation

This M.Sc. Thesis was the first step of a collaboration between with MCI (Management Center Innsbruck), with the aim of developing up-scaling laws for hydrocyclones, which are devices used for the separation of solid particles from a fluid flow. On the one hand, the laboratory tests are carried out at MCI, whereas Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are performed at Politecnico di Milano. In this thesis, the CFD modelling of the flow field within a 1-inch hydrocyclone was addressed. The simulations were made out considering the single-phase flow of water, and the numerical results were validated both qualitatively, based on the comparison with previous literature data referring to a similar device, and quantitatively, based on the pressure drop measurements performed at MCI in the absence of particles. Goal of the study was to define a suitable single-phase CFD model, capable to meet the requirements of both accuracy and computational cost. Particular attention was paid to the choice of the turbulence model and to the development of effective strategies to account for the inherent instability and unsteadiness of the flow.

Questa Tesi di Laurea Magistrale è il primo passo di un progetto di ricerca congiunto tra il Politecnico di Milano ed MCI (Management Center Innsbruck), il cui obiettivo è individuare delle leggi di scalabilità degli idrocicloni, dispositivi utilizzati per la separazione delle particelle solide da un fluido. Da un lato, il gruppo di lavoro a MCI effettua i test di laboratorio, mentre quello del Politecnico si occupa delle simulazioni numeriche "CFD". In questa tesi, è stata affrontata la modellazione CFD prelimiare del campo di moto all’interno di un idrociclone da 1 pollice oggetto di studio del progetto congiunto. Le simulazioni sono state effettuate considerando un flusso di sola acqua e i risultati numerici sono stati validati sia qualitativamente, sulla base del confronto con dati riportati in letteratura, sia quantitativamente, sulla base delle misure sperimentali effettuate presso MCI. Obiettivo dello studio è stata la definizione di un modello CFD monofase adeguato per il problema in esame, in grado di produrre una soluzione sufficientemente accurata con un costo computazionale accettabile. Particolare attenzione è stata posta alla scelta del modello di turbolenza e allo sviluppo di strategie efficaci che tengano in conto dell’instabilità che caratterizza il flusso all’interno di un idrociclone. I risultati sono stati analizzati in maniera approfondita alla luce della letteratura sull’argomento.