Analisi numerica tridimensionale dell'impatto di gocce su film liquido sottile con un metodo volume of fluid

The present work deals with the study of droplet impact onto thin liquid film by means of computational fluid dynamics; the goal is the set up of the necessary numerical tools and the evaluation of their accuracy in reproducing such phenomenon. The focus is on impacts in the splashing regime, which is characterized by the formation of a crown shape whose motion is governed by inertial, surface tension and viscous dissipation effects. The software used is part of the open-source CFD suite OpenFOAM, which implements the Volume-of-Fluid (VOF) method for dealing with multiphase fluxes; the code has been slightly modified in order to adapt it to the cases studied here. Simulations are carried out in bidimensional axisymmetric and tridimensional geometry, results on different mesh are compared. Tridimensional cases are dealt with by using a dynamic mesh refinement technique, localized around the gas-liquid interface; this allows a dramatic decrease in computational cost. The results are compared with analogous cases in litterature, both from numerical simulations and experimental campaigns. Comparison is carried out in a qualitative way, through 3D images and sections of the impact outcome, and in a quantitative one: the characteristic parameters in crown development are corona radius and height. The ageement is very good. Moreover, the description of the first moments after impact can be adequately achieved through axisymmetric analysis, while longer times need a tridimensional approach.

In questo lavoro di tesi viene affrontato lo studio dell'impatto di gocce su film liquido sottile dal punto di vista numerico, con l'obiettivo di mettere a punto il codice necessario a tale scopo e valutarne l'accuratezza nella riproduzione del fenomeno in esame. Gli impatti analizzati appartengono al regime di splashing, il quale è caratterizzato dalla formazione di una struttura a corona il cui sviluppo successivo è governato dagli effetti di inerzia, tensione superficiale e dissipazione viscosa. Il codice utilizzato appartiene alla suite open-source per fluidodinamica computazionale OpenFOAM e implementa la metodolgia Volume-of-Fluid (VOF) per flussi multifase; nell'ambito del presente lavoro si è reso necessario apportare alcune modifiche al solutore scelto. Le simulazioni sono realizzate in geometria bidimensionale assialsimmetrica e tridimensionale, confrontando i risultati ottenuti su griglie variamente raffinate. Il caso tridimensionale viene affrontato per mezzo di una tecnica di raffinamento dinamico di griglia localizzato in prossimità dell'interfaccia gas-liquido, ottenendo una forte riduzione del costo computazionale. I risultati qui presentati sono confrontati con casi analoghi presenti in letteratura, ottenuti sia per mezzo di simulazioni numeriche che campagne sperimentali. Il confronto è condotto sia dal punto di vista qualitativo, confrontando le immagini tridimensionali e in sezione, che dal punto di vista quantitativo: le grandezze caratteristiche del fenomeno sono rappresentate da raggio e altezza della corona che viene a formarsi in seguito all'impatto. L'accordo con i risultati riportati in letteratura è molto buono. In particolare, la descrizione dei primi istanti successivi all'impatto viene riprodotta con buona accuratezza anche in geometria assialsimmetrica, mentre l'approcio tridimensionale si rivela imprescindibile per lo studio su tempi relativamente lunghi.