Multiphase CFD model for the simulation of multicomponent evaporating droplets with liquid-phase kinetics

Despite the growing interest in renewable energy sources, in the near future the energy market will still be dependent on fossil fuels to satisfy the continuously rising energy demand. At the same time, due to the decrease in the availability of light crude oil, the combustion of heavy fuel oils has captured the interest of many industrial players. Since, in any industrial process, the combustion occurs in the gaseous phase, the characterization of the liquid-vapor transition is crucial to assess the feasibility of the large-scale utilization of liquid heavy fuel oils. This phase transition is favored by spray formation, whose combustion behavior largely depends on the one of the single droplets. Therefore, an isolated droplet is the simplest yet still scientifically meaningful configuration useful to clarify the relevant physical and chemical phenomena and to gauge their effect on the combustion process. This thesis work proposes a multiphase CFD model to simulate the vaporization of isolated droplets with multiple chemical species that can react in the liquid phase. This model was used to simulate large droplets (1-2mm) suspended on a fiber, removing the hypotesis of perfectly spherical droplets. The starting point of this work is a CFD code developed in previous thesis works, based on the Volume of Fluid methodology. The existing model was extended in order to include the evaporation of liquid mixtures using an innovative method for the solution of the species equations with phase change, that allows to introduce the interface jump conditions in the governing equations of the system. The vaporization flowrate was computed using a novel methodology, which allows to couple the material and energy balances at the gas-liquid interface together with the thermodynamic equilibrium. Moreover, the liquid phase kinetics was included using an operator-splitting approach, due to the different time scale of transport and chemical phenomena. Various benchmark cases were simulated using constant physical and chemical properties, to test different aspects of the model. In particular, two aspects were tested: (i) mass conservation during the vaporization process and (ii) the fact that the interfacial conditions, obtained by solving a non-linear system, bring the system to thermodynamic equilibrium. This confirmed the validity and the accuracy of the methodology adopted to solve the species equations. Then, to show the interplay among the species and their preferential evaporation, the vaporization of a droplet with three components having different volatilities was simulated in zero gravity conditions. Once the numerical tests on the model were performed, the latter was used to simulated realistic cases with variable physical and chemical properties. A suspended droplet of n-heptane was simulated and compared with experimental data, showing good accordance between the two. The comparison with a simplified 1D model, that assumes a sphero-symmetrical droplet, highlights the need of a detailed description of the process. The model was then used to simulate the vaporization of binary droplets, specifically of mixtures of n-heptane/n-hexadecane and n-heptane/n-decane, that show a completely different behavior with respect to pure droplets. The results were compared and analyzed, highlighting the circulations occurring in the liquid phase, that enhance heat and mass transfer. Finally, the ability of the model to describe the formation of a new species due to chemical reaction in the liquid phase was tested using a simple, second order reaction involving two components. In conclusion, the model (i) provides satisfactory results in the comparison with experimental data for pure droplets, and (ii) is able to describe the vaporization process of different species, even those that are formed due to chemical reactions.

Nonostante il crescente interesse del mercato energetico per le fonti rinnovabili, nel breve periodo le fonti fossili continueranno ad essere necessarie per soddisfare l'attuale fabbisogno energetico. Inoltre, a causa della riduzione della disponibilità di petrolio greggio leggero, recentemente l'industria energetica ha mostrato la propensione ad aumentare gli investimenti per l'utilizzo di oli combustibili pesanti. Poiché la combustione in pressocché ogni processo industriale si svolge prevalentemente in fase gassosa, la caratterizzazione della transizione liquido-vapore riveste un ruolo cruciale per studiare la fattibilità dell'impiego su larga scala degli oli pesanti, presenti in natura in fase liquida. Questa transizione avviene tramite la formazione di spray, la cui dinamica è fortemente condizionata dalla comportamento della singola goccia. Di conseguenza, nonostante la sua semplicità, l'analisi una goccia isolata garantisce un'adeguata comprensione dei principali fenomeni fisici e chimici. L'obiettivo di questa tesi consiste nella formulazione di un modello CFD per la simulazione della vaporizzazione della singola goccia multicomponente, includendo il contributo delle reazioni chimiche in fase liquida. Questo modello è stato impiegato per riprodurre il comportamento di gocce grandi (1-2 mm) sospese su una fibra, senza ipotesi di sfericità perfetta. Partendo da un modello pre-esistente basato sulla tecnica del Volume of Fluid (VoF), si include l'evaporazione di miscele liquide con un metodo innovativo per la soluzione delle equazioni di transporto delle specie con cambiamento di fase, che permette di introdurre le condizioni all'interfaccia liquido-vapore nelle equazioni di governo del sistema.La portata evaporante viene calcolata con un nuovo procedimento che permette di accoppiare i bilanci di massa ed energia all'interfaccia con le condizioni di equilibrio termodinamico. Inoltre, la cinetica in fase liquida è stata risolta facendo uso dell'operator-splitting viste le differenti scale temporali a cui avvengono i processi. La validazione del codice è stata condotta attraverso una serie di simulazioni che impiegavano proprietà fisiche e chimiche costanti, per esaminare diversi aspetti del modello. In particolare, sono state verificate (i) la conservazione della massa durante la vaporizzazione e (ii) il fatto che le condizioni imposte all'interfaccia ottenute dalla risoluzione di un sistema non lineare portino all'equilibrio termodinamico del sistema. Questo ha confermato la validità e l'accuratezza del metodo usato per risolvere le equazioni delle specie. In seguito, per mostrare l'interazioni tra le diverse specie e la loro evaporazione preferenziale, la vaporizzazione di una goccia con tre componenti aventi tre diverse volatilità è stata simulata in assenza di gravità. Una volta verificati gli aspetti numerici del modello, sono stati affrontati dei casi realistici con proprietà fisiche e chimiche variabili. Il modello viene utilizzato per la simulazione di una goccia sospesa di n-eptano che ha mostrato un soddisfacente accordo con dati sperimentali. Confrontando questi risultati con un modello 1D semplificato, che assume condizioni di simmetria sferica, sottolinea il bisogno di un modello dettagliato del processo. In seguito, il modello è stato impiegato per simulare l'evaporazione di gocce binarie, nello specifico miscele di n-eptano/n-esadecano e n-eptano/n-decano, che mostrano un comportamento completamente diverso dalle gocce pure. I risultati vengono analizzati, concentrandosi sulle circolazioni interne in fase liquida, che migliorano il trasporto di calore e di materia. Infine, è stata esaminata la capacità del modello di descrivere la formazione di nuove specie a seguito di reazioni chimiche in fase liquida, utilizzando una semplice reazione di secondo ordine, a due componenti. In conclusione, si può affermare che il modello (i) è stato confrontato con successo con dati sperimentali, rispetto all'evaporazione della goccia monocomponente; (ii) riesce a descrivere l'evaporazione delle diverse specie, incluse quelle derivanti dalle reazioni chimiche in fase liquida.