Global and local frameworks in the modelling of particle settling processes

Gravitational settling of solid particles in a liquid occurs ordinarily in nature and in many engineering fields, and its efficiency is closely linked to the sedimentation velocity. Although this parameter is the result of phenomena that occur at the micro-scale, the traditional models for its estimation refer to global variables, such as the average solids concentration in a settling tank. This might result in inaccurate predictions, with possible adverse effects on system design. The present work comes from the desire to overcome these limits, exploring the capabilities of Computational Fluid Dynamics (CFD), which, for its nature, is inherently local, as a tool for predicting the gravitational settling process. The original aspect of this thesis consists in gaining insight into the change of point of view, from global to local, that characterize the passage from the empirical formulas to the CFD simulation. However, this change is not straightforward nor complete, since, to be computationally affordable, CFD models rely on simplifying assumptions and empirical content; hence, they are capable of exploring the local behavior of the particle-laden flow only up to a certain extent. The thesis was developed by focusing on the batch sedimentation process of non-cohesive particles for increasing solid concentrations. Particular attention was paid to the definition of the characteristics of the CFD models, mainly in terms of coupling regime between the phases, to achieve a physically consistent and accurate solution. Strengths and limitations of the models were highlighted, identifying the possible future research developments.

Il processo di sedimentazione di materiale granulare si verifica ordinariamente in natura ed in svariati campi ingegneristici, ed il suo livello di efficienza è strettamente collegato alla velocità di sedimentazione. Sebbene questo parametro sia il risultato di fenomeni che si verificano a micro-scala, i modelli tradizionali per la sua stima si riferiscono a variabili globali, come la concentrazione media dei solidi in una vasca di decantazione. Ciò potrebbe portare a previsioni imprecise, con possibili effetti negativi sulla progettazione del sistema. Il presente lavoro nasce dal desiderio di superare questi limiti, esplorando le capacità della Fluido Dinamica Computazionale (CFD), di natura intrinsecamente locale, come strumento per predire il processo di sedimentazione gravitazionale. L’aspetto originale di questa tesi consiste nel cogliere il cambiamento di punto di vista, da globale a locale, che caratterizza il passaggio dalle formule empiriche alla simulazione CFD. Tuttavia, questo cambiamento non è né semplice né completo, poiché, per essere computazionalmente abbordabili, i modelli CFD si basano su ipotesi semplificative e contenuti empirici; quindi, sono in grado di esplorare il comportamento locale di flussi liquido-solido solo fino a un certo punto. La tesi é stata sviluppata concentrandosi sul processo di sedimentazione batch di particelle non-coesive all’aumentare della concentrazione solida. Particolare attenzione `e stata dedicata alla definizione delle caratteristiche dei modelli CFD, principalmente in termini di regime di accoppiamento tra le fasi, per ottenere una soluzione fisicamente coerente e precisa. Sono stati evidenziati i punti di forza e i limiti dei modelli, individuando i possibili sviluppi futuri della ricerca.