On stability of a bubble column: Euler-Euler simulation with co-current and counter-current flow

The present thesis explores the stability of the homogeneous flow regime in a bubble column operating under various conditions, including batch, co-current, and counter-current modes, across a range of low to high gas holdup, up to ∼ 60%. Utilizing an Euler-Euler Computational Fluid Dynamics (CFD) model that is well validated at lower gas holdups, the investigation focuses on understanding the effects of imposed disturbances and unstable flows, aiming to identify parameters influencing the stability of the bubble column. Observations suggest that bubble size plays a crucial role in flow stability: bubbles with a positive lift coefficient help stabilize the flow, while those with a negative coefficient enhance a local increase of the gas fraction and a liquid recirculation, resulting in an unstable flow state. The introduction of counter-current flow reveals an increase in the gas holdup and can disrupts the homogeneous flow regime, whereas co-current flow serves to stabilize the flow and lower the gas holdup. Additionally, throughout the study, the drift flux model, enhanced by accounting for the impact of the mixture pressure gradient on the relative velocity between the phases, consistently proves reliable in estimating gas holdup within the uniform homogeneous flow regime.

La presente tesi esplora la stabilità del regime di flusso omogeneo in una colonna a bolle d'aria che opera in varie condizioni, tra cui modalità batch, co-corrente e controcorrente, in un intervallo di valori di concentrazione del gas da basso a elevato, fino a ∼ 60%. Utilizzando un modello di fluidodinamica computazionale (CFD) Euler-Euler ben convalidato a basse concentrazioni di gas, l'indagine si concentra sulla comprensione degli effetti di disturbi imposti e dei flussi instabili, con l'obiettivo di identificare i parametri che influenzano la stabilità della colonna a bolle. Le osservazioni suggeriscono che la dimensione delle bolle gioca un ruolo cruciale nella stabilità del flusso: le bolle con un coefficiente di portanza positivo aiutano a stabilizzare il flusso, mentre quelle con un coefficiente negativo favoriscono un aumento locale della frazione gassosa e un ricircolo di liquido. L'introduzione di un flusso in controcorrente rivela un aumento dell'accumulo di gas e può destabilizzare il regime di flusso omogeneo, mentre il flusso in co-corrente serve a stabilizzare il flusso e a ridurre l'accumulo di gas. Inoltre, in tutto lo studio, il modello di drift flux, tenente conto dell'impatto del gradiente di pressione della miscela sulla velocità relativa tra le fasi, si dimostra costantemente affidabile nella stima dell'holdup di gas all'interno del regime di flusso omogeneo uniforme.