Computational fluid dynamics of multiphase flow using ANSYS fluent

In many industries, especially the oil and gas one, multiphase systems are very common and numerically simulating them is vital to both study them without the need to go to the lab and be able to even modify their phenomena. Computational fluid dynamics (CFD) is a relatively new technique, established in the second half of the 20th century and that can be used to simulate any fluid flow. However, since the numerical simulation of multiphase flow systems is particularly challenging due to their complexity, CFD has only started a few years ago to study these complex systems. Therefore, many areas related to the modelling of multiphase flow systems in CFD are still vague and need investigation. Phase interaction force is one of these vague areas as there are many forces of interaction between different phases (Drag, Lift, Wall lubrication,..etc) in which each one has multiple models to be used. The purpose of this thesis is to study all these forces and their available models in ANSYS Fluent to find which forces and what models should be considered to better simulate a multiphase flow system. Our first step was to perform a sensitivity analysis on all these forces and models using an experimental study (Case study 1) as a reference case. The analysis showed that adding the forces of Drag, Wall lubrication, turbulent dispersion with specifically selected sub-models increased the accuracy of the overall CFD simulation. On the other hand, Virtual mass and Lift forces were excluded because they made our model either diverge or predict wrong/unrealistic values of our parameters. After that, our selected model was then revalidated using another experiment with more complex geometry (Case study 2) and it accurately predicted the measured parameters. Finally, the model was tested on an industrial case study (Case study 3) in which the two-phase flow system had a problem of having asymmetric behaviour. The model was able to both predict this behaviour and solve it using a newly proposed geometry.

In molti settori industriali, in particolare quelli che si occupano di oli e gas, i sistemi multifase sono molto diffusi e simularli numericamente è fondamentale sia per studiarli senza la necessità di andare in laboratorio sia per poterne addirittura modificare i fenomeni. La fluidodinamica computazionale (CFD) è una tecnica relativamente nuova, affermata nella seconda metà del XX secolo e che può essere utilizzata per simulare qualsiasi flusso di fluido. Tuttavia, poiché la simulazione numerica di sistemi di flusso multifase è particolarmente impegnativa a causa della loro complessità, CFD ha iniziato solo pochi anni fa a studiare questi sistemi complessi. Pertanto, molte aree relative alla modellazione di sistemi di flusso multifase in CFD sono ancora vaghe e necessitano di indagine. La forza di interazione di fase è una di queste aree vaghe in quanto ci sono molte forze di interazione tra le diverse fasi (Portanza, Resistenza, Lubrificazione a parete, .. ecc.) in cui ognuna ha più modelli da utilizzare. Lo scopo di questa tesi è di studiare tutte queste forze e i loro modelli disponibili in ANSYS Fluent al fine di trovare quali forze e quali modelli dovrebbero essere considerati per simulare meglio un sistema di flusso multifase. Il nostro primo passo è stato quello di eseguire un'analisi di sensibilità su tutte queste forze e modelli utilizzando uno studio sperimentale (Caso di studio 1) come caso di riferimento. L'analisi ha mostrato che l'aggiunta della resistenza aerodinamica, lubrificazione a parete, dispersione turbolenta con specifici sotto-modelli selezionati ha aumentato l'accuratezza della simulazione CFD complessiva. D'altra parte, la forza di massa virtuale e la portanza sono state escluse perché hanno fatto divergere il nostro modello o prevedono valori errati / non realistici dei nostri parametri. Successivamente, il nostro modello selezionato è stato quindi riconvalidato utilizzando un altro esperimento con una geometria più complessa (Caso di studio 2) e ha previsto con precisione i parametri misurati. Infine, il modello è stato testato su un caso di studio industriale (caso di studio 3) in cui il sistema di flusso bifase presentava un problema di comportamento asimmetrico. Il modello è stato in grado sia di prevedere questo comportamento che di risolverlo utilizzando una nuova geometria proposta.