Computational fluid-dynamics modeling and statistical analysis of gas-liquid downwards annular flow

Annular gas-liquid flows appear in multiple applications in the industrial field. Global flow properties have been studied experimentally for more than 50 years, but the characterization of the flow through local properties is still quite challenging. The objective of this work is to gain more knowledge on annular flow at a global and local scale while providing a numerical model for the most common Downwards Annular Flow (DAF) pattern: the regular wave regime. The CFD model is based on the Volume of Fluid method and has been validated with experimental results in terms of the topological properties of the flow, mainly film thickness and wave statistics. 3D and 2D axisymmetric simulations were performed, and results suggest that the 3D approach is the only one that can capture the complex fluid-dynamic interactions between gas and liquid with sufficient accuracy, although the computational requirements for its simulation are quite large. The global-scale study has been focused on the statistical analysis of the pressure drop, by building a dataset from literature correlations. Several operating conditions such as gas and liquid Reynolds number, pipe diameter and fluid properties have been considered, with the aim of determining its influence on the pressure gradient. A regression approach is performed, based on an Ordinary Least Squares (OLS) method to determine the relationship between the variables and the pressure drop. Significant and independent variables have been selected by the Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) procedure, checking for multicollinerarity. Additionally, a segmentation approach based on Classification and Regression Trees (CART) is followed. It was found that the diameter of the pipe and liquid properties have a large influence on the pressure drop.

Il flusso anulare gas-liquido è presente in molte applicazioni industriali. Numerosi studi sperimentali sono stati condotti al fine di determinare le proprietà globali del flusso, ma la sua caratterizzazione su scala locale risulta essere molto complessa. Questa tesi ha l’obiettivo di approfondire la conoscenza sulle proprietà fluidodinamiche del flusso anulare discendente (DAF), focalizzandosi sul regime di onde regolari. Partendo dalla caratterizzazione locale del flusso, è stato sviluppato un approccio di modellazione CFD basato sul metodo Volume del Fluido (VOF). La validazione del modello è stata effettuata comparando i risultati numerici con dati sperimentali riguardanti le caratteristiche topologiche del flusso, principalmente spessore del film di liquido e statistiche delle onde. Sono state condotte simulazioni 3D e 2D assi simmetriche e risultati suggeriscono che l’approccio 3D è l’unico in grado di catturare con sufficiente accuratezza le complesse interazioni fluidodinamiche tra gas e liquido. Lo studio su scala globale si concentra sull’analisi statistica della caduta di pressione, definendo un dataset a partire da correlazioni di letteratura. Differenti condizioni operative in termini di numero di Reynolds del gas e del liquido, diametro del tubo, proprietà del fluido sono state considerate, col fine di determinare come queste variabili influenzano la caduta di pressione nel tubo. Per determinare la relazione tra le variabili è stato definito un modello di regressione basato sul metodo dei minimi quadrati ordinari (OLS). Le variabili indipendenti significative sono state selezionate applicando il metodo di contrazione dei coefficienti (LASSO), verificando la presenza di multicollinearità. Inoltre, è stato seguito un approccio di segmentazione basato su alberi di classificazione e regressione (CART). Si è concluso che il diametro del tubo e le proprietà del liquido hanno una forte influenza sulla caduta di pressione.