Experimental and numerical analysis of two-phase flow in chevron-type corrugated channels

This thesis investigates the fluid-dynamic behavior of chevron-type corrugated channels commonly used in plate heat exchangers, focusing on a two-phase adiabatic air-water mixture as the working fluid. An innovative experimental setup has been developed, allowing for pressure drop measurements while enabling flow visualization through high-frame-rate videography. This approach has enabled the precise identification and documentation of flow patterns, leading to a clear, image-based nomenclature and a global flow regime map that integrates findings from various studies. The empirical data have generally agreed with the documented flow patterns, with deviations arising from subjective visual categorization and diverse configurations. Furthermore, the thesis introduces a machine learning-based methodology for estimating void fraction from back-lit front-view images. A novel algorithm is presented for reconstructing 3D gas cluster volumes from 2D binary masks, enhancing the estimation of void fraction as a volume ratio. A drift flux model is proposed, featuring a two-part equation to account for the observed dependence of the distribution coefficient C0 on liquid flow rate. Quantitative dimensional parameters have also been extracted from the binary masks, used to provide quantitative criteria for flow regime transitions. The experimental campaign has enhanced the understanding of pressure drops in both single-phase and two-phase flows, introducing new correlations for the single-phase Darcy friction factor and two-phase multiplier. The application of the void fraction model derived from image analysis to the data to remove the gravitational component of the pressure gradient has improved the precision of the two-phase pressure drop model, demonstrating the superiority of this approach over the homogeneous flow assumption. The numerical modeling section of the dissertation addresses the scarcity of research on two-phase flow simulations in corrugated channels. A grid sensitivity analysis has been conducted to identify critical parameters for computational grid construction, with the maximum cell dimension proving to be particularly influential. The implicit Volume Of Fluid (VOF) method has been employed for its sharp interface tracking capabilities and computational efficiency. The simulation results have provided new numerical-based correlations for single-phase friction factors and two-phase multipliers, a drift flux model for void fraction distribution, and visualizations of numerical flow regimes. These results were compared with and benchmarked against the experimental data, showing a generally good agreement.

Questa tesi indaga la fluidodinamica bifase in canali corrugati di tipo Chevron, comunemente impiegati negli scambiatori di calore a piastre, utilizzando come fluido di lavoro una miscela composta da aria e acqua in condizioni adiabatiche. È stato sviluppato un setup sperimentale innovativo che consente la misurazione delle cadute di pressione e la visualizzazione del flusso attraverso video ad alta frequenza di fotogrammi. Questo approccio ha permesso l'identificazione precisa e la documentazione dei regimi di moto, portando alla creazione di una chiara nomenclatura basata su immagini e di una mappa dei regimi di flusso globale che integra i risultati di vari studi presenti in letteratura. I dati empirici provenienti dalle diverse fonti sono generalmente concordi con i pattern di flusso documentati, con deviazioni originate da categorizzazioni visive soggettive e configurazioni sperimentali diverse. Inoltre, la tesi presenta una metodologia di analisi immagini basata sul machine-learning per stimare la frazione di vuoto da fotogrammi frontali retroilluminati. Viene presentato un algoritmo innovativo per ricostruire il volume 3D dei cluster di gas a partire da maschere binarie 2D, migliorando la stima della frazione di vuoto come rapporto di volume. Un modello di Drift-Flux viene inoltre proposto, caratterizzato da un'equazione a due parti per rappresentare la dipendenza osservata della costante di distribuzione C0 dalla portata di liquido. Inoltre, sono stati estratti anche parametri dimensionali delle maschere binarie, utilizzati per fornire criteri quantitativi per le transizioni tra regimi di moto. La campagna sperimentale ha permesso di avanzare con la comprensione delle cadute di pressione in configurazione a singola fase o bifase, presentando nuove correlazioni per il fattore d’attrito di Darcy monofase e il moltiplicatore bifase. L'applicazione del modello di frazione di vuoto derivato dall'analisi delle immagini ha migliorato la precisione della correlazione per le cadute di pressione bifase, dimostrando la superiorità di questo approccio rispetto all'assunzione di flusso omogeneo. Infine, la sezione relativa alla modellazione numerica affronta la scarsità di fonti bibliografiche sulle simulazioni di flussi bifase in canali corrugati. È stata condotta un'analisi di sensibilità della griglia di calcolo per identificare i parametri critici per la sua costruzione, con la dimensione massima delle celle che si è dimostrata essere un parametro particolarmente influente. Il metodo Volume Of Fluid (VOF) in formulazione implicita è stato impiegato per le sue capacità di tracciamento dell'interfaccia ed efficienza computazionale. I risultati delle simulazioni hanno fornito nuove correlazioni numeriche per i fattori d’attrito monofase e il moltiplicatore bifase, un modello di Drift-Flux per la distribuzione della frazione e visualizzazioni dei regimi di moto basati esclusivamente sulle simulazioni numeriche. Questi risultati sono stati confrontati e verificati con i dati sperimentali, mostrando una generale bontà dei risultati.