A fully compressible three-phase VOF solver for the simulation of in-nozzles cavitating flows

The renewed interest in a detailed understanding of the effects of cavitation in fuel injector nozzles and the ceaseless improvement of Computational Fluid Dynamics (CFD) methods have justified the present work. The development of a three-phase VOF (Volume of Fluid) solver for three compressible fluids, namely the liquid fuel and the two miscible phases given by the fuel vapor and the non-condensable gases (air), where the phase-change process of the fuel is modeled, will be presented. In light of this, a complete description of the solver (in the following referred as compressibleInterPhaseChangeMixingFoam) as a result of the integration of an improved cavitation model compared to the one proposed by Schnerr and Sauer into the framework of a compressible three-phase VOF solver will be given. The solution method, the discretization schemes adopted and the techniques employed to guarantee a correct tracking of the interfaces between the fluids are based on the open source OpenFOAM software. The simulations have been performed on two different cases in order to test the numerical properties of the implemented solver. Firstly, a one-dimensional scenario has been analyzed to show the conservativeness and the boundedness of the solution of the phase-fraction equations with phase change; then, the robustness of the solver and its application to the representation of real flow physics phenomena have been tested on a simulation of a two-dimensional nozzle geometry.

Il rinnovato interesse verso una comprensione dettagliata degli effetti della cavitazione negli ugelli degli iniettori di combustibile e l’incessante miglioramento dei metodi di simulazione fluidodinamica (CFD) hanno giustificato il lavoro in questione. Verrà presentato lo sviluppo di un solutore trifase di tipo VOF (Volume di Fluido) per tre fluidi comprimibili, ossia il combustibile liquido e le due fasi tra loro miscibili, cioè il vapore liquido combustibile e i gas non condensabili (aria), che preveda la modellazione del processo di passaggio di fase del combustibile stesso. Alla luce di ciò, sarà fornita una descrizione completa del solutore (a cui si fa riferimento in seguito come compressibleInterPhaseChangeMixingFoam) come il risultato dell’integrazione di un modello di cavitazione migliorato rispetto a quello proposto da Schnerr e Sauer nella struttura di un solutore comprimibile trifase di tipo VOF. Il metodo di soluzione, gli schemi di discretizzazione adottati e le tecniche impiegate per garantire un tracciamento corretto delle interfacce tra i fluidi si basano sul software OpenFOAM di tipo open source. Le simulazioni sono state realizzate su due differenti casi di studio con lo scopo di testare le proprietà numeriche del solutore implementato. Dapprima, si è analizzato un problema monodimensionale in modo da mostrare le caratteristiche di conservazione e limitatezza della soluzione delle equazioni di trasporto della frazione di fluido con passaggio di fase; quindi, la robustezza del solutore e l’applicabilità alla rappresentazione di fenomeni fisici reali sono stati testati sulla simulazione di una geometria di un ugello bidimensionale.