Comprehensive CFD study of two-phase flow in a cross-corrugated channel

The intricate design of the channels in corrugated plate heat exchangers makes the morphology of liquid-gas flows complicated. Only a limited number of computational fluid dynamics (CFD) researches have been conducted to examine the characteristics of two-phase flow in plate heat exchangers. So, in this work, a CFD study regarding an adiabatic two-phase flow (air-water) in a corrugated channel of a plate heat exchanger was performed. The geometry under study was also investigated with a laboratory facility at Politecnico di Milano. The Volume-Of-Fluid implicit technique was used in order to model the interface between water and air. With the aim to reduce the computational cost, a deep sensitivity analysis was done, for both single phase and multiphase flow leading to an optimized computational grid. A single phase friction factor correlation was derived and compared with those present in literature and with the correlation provided by the laboratory. After that, a multiphase analysis was performed, fixing four total mass fluxes, varying their air mass quality. Correlations regarding the two-phase pressure drop, based on the Lockhart-Martinelli method, and the void fraction, according to the drift flux model, were derived with regard to CFD results, and compared with existing correlations. In the end, a comparison between the flow visualizations made in laboratory and those obtained with CFD simulations was made, in order to validate the implemented model.

Il design intricato dei canali negli scambiatori di calore a piastre corrugate (CPHEs) rende complicata la modellizzazione dei flussi multifase. Solo un numero limitato di ricerche di fluidodinamica computazionale (CFD) sono state condotte per esaminare le caratteristiche del flusso multifase negli scambiatori di calore a piastre. Pertanto, in questo lavoro, è stato effettuato uno studio CFD riguardante un flusso bifase adiabatico (aria-acqua) in un canale corrugato di uno scambiatore di calore a piastre. La geometria in oggetto è stata anche studiata con un modello fisico in laboratorio presso il Politecnico di Milano. Il modello VOF (Volume-Of-Fluid) implicito è stato utilizzato per modellare l'interfaccia tra acqua e aria. Con lo scopo di ridurre il costo computazionale, è stata effettuata un'analisi di sensibilità approfondita, sia per il flusso monofase che per quello bifase, che ha portato alla definizione di una griglia computazionale ottimizzata. Una correlazione per il friction factor monofase è stata derivata e confrontata con quelle presentate in letteratura e con la correlazione fornita dal laboratorio. Successivamente, è stata effettuata l'analisi bifase per quattro valori di flusso massico della miscela aria-acqua, variando la frazione massica dell'aria. Partendo dal metodo proposto da Lockhart-Martinelli, è stata ottenuta una correlazione per predirre il salto di pressione bifase. Lo stesso è stato fatto per la void fraction, a partire dal drift flux model, basandosi sui risultati CFD e confrontandosi con le correlazioni presenti in letteratura. Infine, è stato eseguito un confronto tra le visualizzazioni del flusso bifase provenienti dal laboratorio e quelle derivanti dalle simulazioni CFD, al fine di convalidare il modello implementato.