LES simulation of calcium hydroxide discharge for ocean liming with coal carriers

On both broad and local sizes, the consequences of pollution from human activities on the environment are observable and quantifiable, including glaciers melting, microplastics in food and air pollution in big cities. The acidity of the seas as a result of higher amounts of CO2 in the atmosphere is a phenomenon that is less well-known to the general popula- tion. In reality, the sea absorbs a sizable amount of the available CO2 , which breaks down into bicarbonate, carbonate, and H + ions, raising the pH. Several marine species at the base of the food chain, like plankton, mollusks, and corals, are seriously threatened by the decrease in pH because it prevents the synthesis of calcium carbonate. The scientific community has examined the issue, and a number of technologies and strategies are still being researched and developed to help stop the acidification of the oceans. The so-called Ocean Liming, which entails releasing alkaline materials into the ocean to raise the pH and the capacity of CO2 absorption, is one of the potential approaches on which the current thesis is founded. The present work will simulate the near wake portion of a common container ship, in order to analyze the distribution of an alkaline material, in this case calcium hydroxide CaOH2 , and its effects on local marine pH. Simulations were carried out for three cases of initial concentration, 2, 20 and 86.5 g/l, to observe a broad spectrum of how the solution can be used. LES simulations were performed using the unsteady and reactive solver reactingFoam, implemented on the opensource software OpenFOAM. Computational re- sources were provided by the CINECA computing centre, which provided the computing hours for this project on the Galileo 100 super-computer. Propeller motion was modelled using a Multi Reference Frame approach, allowing a more accurate representation of the fluid-dynamics of the problem in the near-wake zone. Simulations were performed for each case, in a non-reactive and a reactive version, in order to quantify the effect of the chemistry. Once the results were obtained, prelimi- nary analyses were made on the vortex structures formed, and then on the distribution of CaOH2 , OH − and pH accordingly.

Le conseguenze dell’inquinamento delle attività umane sull’ambiente sono osservabili e quantificabili sia a livello locale che globale, come lo scioglimento dei ghiacciai, la presenza di microplastiche negli alimenti e l’inquinamento atmosferico nelle grandi città. L’acidità dei mari, conseguenza dell’aumento della quantità di CO2 nell’atmosfera, è un fenomeno meno noto. L’oceano infatti assorbe una notevole quantità di CO2 dall’atmosfera, che si scompone in acqua generando ioni bicarbonato, carbonato e H + , diminuendo il pH. Diverse specie marine alla base della catena alimentare, come il plancton, i molluschi e i coralli, sono seriamente minacciate dalla diminuzione dei livelli di pH poichè impedisce la sintesi del carbonato di calcio. La comunità scientifica ha esaminato il problema e sono ancora in fase di ricerca e sviluppo numerose tecnologie e strategie per contribuire a fermare l’acidificazione degli oceani. Il cosiddetto Ocean Liming, che prevede il rilascio di materiali alcalini nell’oceano per aumentare il pH e la capacità di assorbimento di CO2, è uno dei potenziali approcci su cui si basa questa tesi. Il progetto in questione simula la porzione di scia prossima ad una comune nave da trasporto, al fine di analizzare la distribuzione di un materiale alcalino, in questo caso idrossido di calcio CaOH2 , e i suoi effetti sul pH marino locale. Le simulazioni sono state effettuate per tre casi di concentrazione iniziale, ovvero 2, 20 e 86,5 g/l, per osservare un ampio spettro di utilizzo della soluzione. Le simulazioni LES sono state eseguite uti- lizzando il solver instazionario e reattivo reactingFoam, implementato nel software open- source OpenFOAM. Le risorse di calcolo sono state fornite dal centro di calcolo CINECA, che ha messo a disposizione le ore di calcolo utilizzate per questo progetto sul supercom- puter Galileo 100. Il moto dell’elica è stato modellato utilizzando un approccio Multi Reference Frame, che consente una rappresentazione più accurata della fluidodinamica del problema. Le simulazioni sono state eseguite, per ogni caso, in versione non reattiva e reattiva, al fine di quantificare l’effetto della chimica. Una volta ottenuti i risultati, sono state effet- tuate analisi preliminari sulle strutture vorticose formate, seguite poi da una trattazione accurata della distribuzione di CaOH2 , OH − e, di conseguenza, del pH.