Smoothed particles hydrodynamics vs finite volume methods in multi phase flows

Computational fluid dynamics is in constant progress along with the development of the increasingly powerful computers. In particular, since 1977, a new way of domain discretization and approximation of Navier Stokes equation has been introduced and is referred to as Smoothed Particles Hydrodynamics. Compared to the classical mesh where the domain is represented as finite volumes, SPH brakes down the volume into particles instead. The former is a well trusted and well-developed method in the industry while the latter became lately a more mature method for problems that are challenging for classical mesh-based CFD. Multiphase flows are among the challenging industrial applications to solve using the finite volume methods. At Scania AB, the powertrain includes complex parts and phenomena to simulate among which is the water behavior in the aftertreatment system. This thesis reports a benchmark between SPH and FVM methods applied to multiphase flows in the after-treatment system as part of the power-train of Scania's trucks. StarCCM+ and OpenFOAM are the investigated classical mesh-based CFD codes. The method developed in StarCCM+ is based on mesh refinement in time while in OpenFOAM, the method is based on static grid. The SPH-code investigated is PreonLab. In order to understand the suitable method for the multiphase flows application, the codes are compared in terms of reliability of results in both steady state and transient case, usability, efficiency, particles tracking and automation ability. For similar results, PreonLab shows specifically a great advantage in terms of required CPUs and simulation time in comparison to classical mesh-based CFD. The SPH-code capability is further proven through experimental validation of the simulation results.

La fluidodinamica computazionale è in costante progresso con lo sviluppo di computer sempre più potenti. In particolare, dal 1977 è stato introdotto un nuovo modo di discretizzazione del dominio e di approssimazione dell'equazione di Navier Stokes, denominato Smoothed Particles Hydrodynamics. Rispetto alla maglia classica, in cui il dominio è rappresentato come volumi finiti, la SPH riduce il volume in particelle. Il primo è un metodo ben noto e ben sviluppato nell'industria, mentre il secondo è diventato ultimamente un metodo più maturo per problemi che sono difficili da risolvere per la CFD basata su mesh classiche. I flussi multifase sono tra le applicazioni industriali più difficili da risolvere con i metodi a volume finito. In Scania AB, il gruppo motopropulsore comprende parti e fenomeni complessi da simulare, tra cui il comportamento dell'acqua nel sistema di post-trattamento. Questa tesi riporta un benchmark tra i metodi SPH e FVM applicati ai flussi multifase nel sistema di post-trattamento come parte della catena cinematica dei camion Scania. StarCCM+ e OpenFOAM sono i codici CFD classici basati su mesh analizzati. Il metodo sviluppato in StarCCM+ si basa sull'affinamento della maglia nel tempo, mentre in OpenFOAM il metodo si basa su una griglia statica. Il codice SPH analizzato è PreonLab. Per capire quale sia il metodo più adatto all'applicazione dei flussi multifase, i codici sono stati confrontati in termini di affidabilità dei risultati sia in regime stazionario che transitorio, usabilità, efficienza, tracciamento delle particelle e capacità di automazione. Per risultati simili, PreonLab mostra in particolare un grande vantaggio in termini di CPU richiesta e di tempo di simulazione rispetto alla classica CFD basata su mesh. La capacità del codice SPH è ulteriormente dimostrata attraverso la validazione sperimentale dei risultati della simulazione.