Two-fluid modelling of pseudo-homogeneous slurry flows in piping systems

Pipe flow of liquid-solid slurry is a common way of transporting solids in several engineering fields, including the mining industry. Among the approaches available for the handling of these flows, Computational Fluid Dynamics (CFD) has a great deal of potential both for scientific research and for the design and maintenance of slurry pipelines. In particular, CFD allows investigating large size pipes and complex components of the piping system, which are difficult to test in laboratories, as well as obtaining information on difficult-to- measure quantities. At the same time, CFD requires a model that: i) approximates with a certain degree of fidelity the real phenomenon, ii) is computationally affordable, and iii) must be built on a strong "engine" with well-established utilities for handling complex flows, e.g. local mesh refinement, moving mesh etc. This thesis focuses on the use of CFD to simulate slurry pipe flows in the pseudo-homogeneous regime, which takes place with fine solids flowing at relatively high velocity. Through the continuous comparison with the reference solutions from alternative models for scenarios with increasing complexity, a new model based on the two-fluid approach has been developed and implemented in the Ansys Fluent code. The applicability limits of the new model have been clearly defined and the role played by the only tuning parameter on the different features of the solution has been assessed. Finally, the model has been successfully tested against experimental data reported in literature.

Il flusso in condotta di slurry liquido-solido è un metodo comune per trasportare solidi utilizzato in molteplici settori ingegneristici, tra cui l’industria mineraria. Tra gli approcci disponibili per trattare questi flussi, la CFD (Fluidodinamica Computazionale) offre molte possibilità sia per la ricerca scientifica che per la progettazione e manutenzione di componenti di sistemi di condotte. In particolare permette di investigare condotte di larga scala e componenti complessi di sistemi di condotte, difficili da testare in labora- torio, oltre che ottenere dati anche su quantità difficili da misurare. La CFD richiede, tuttavia, un modello che: (1) approssimi il fenomeno reale con un certo grado di fedeltà, (2) sia computazionalmente efficiente e (3) deve essere implementato su un motore con utilities in grado di gestire flussi complessi, come ad esempio il raffinamento locale della mesh, una mesh mobile etc. Questa tesi si concentra sull’utilizzo della CFD per simulare flussi slurry in condotta in regime pseudo-omogeneo, che avviene con flussi di particelle solide fini ad alte velocità. Mediante il continuo confronto con soluzioni di riferimento ottenute con modelli alternativi per scenari a complessità crescente, un nuovo modello basato sull’approccio two-fluid è stato sviluppato e implementato nel software Ansys Fluent. Le condizioni di applicabilità del nuovo modello sono state definite con chiarezza ed è stato valutato il ruolo che l’unico parametro da calibrare ha sulle proprietà della soluzione. Infine il modello è stato testato con successo utilizzando dati sperimentali disponibili in letteratura.