CFD modelling of particle transport in slurry pipelines

Slurry pipelines are a widely used method for the transport of granular material over long distances, and they are common in many engineering fields like mining and dredging. Thanks to the increase in computer power and capability of the simulation software over the last years, Computational Fluid Dynamics (CFD) is nowadays a viable approach for the engineering handling of slurry pipeline systems. CFD allows obtaining detailed information at local level and gaining deep insight into the physical processes happening in these flows, characterized by complex phenomena due to the particle-particles collisions and liquid-particles interaction. In this thesis I focus on the CFD simulations of slurry flows at the limit between the pseudo-homogeneous regime and the heterogeneous regime, in which particle-particle collisions start playing a role on particle transport. In order to take into account particle-particle collisions, constitutive equations from the Kinetic Theory of Granular Flows (KTGF) are incorporated into an Eulerian-Eulerian model. The CFD model includes many parameters and sub-models that are difficult-to-decide, and contribute to the uncertainty of the numerical solution. Hence, my goal is to assess such level of uncertainty through an extensive sensitivity analysis with respect to some features of the model, after properly controlling the numerical uncertainty arising from the numerical solution of the flow equations and the grid. All the numerical results are validated against experimental data of fine glass bead slurry transport in a horizontal pipeline.

Le condotte slurry sono una tecnologia ampiamente utilizzata per il trasporto di materiale granulare su lunghe distanze in molti campi dell'ingegneria, come l'estrazione mineraria e il dragaggio. Grazie all'aumento della potenza di calcolo e delle performance dei software di simulazione negli ultimi anni, la fluidodinamica computazionale (CFD) è oggi un approccio praticabile per la gestione ingegneristica dei sistemi di condotte slurry. La CFD consente di ottenere informazioni dettagliate a livello locale e di acquisire una visione approfondita dei processi fisici che avvengono in questi flussi, caratterizzati da fenomeni complessi dovuti alle collisioni particella-particella e all'interazione liquido-particelle. In questa tesi mi concentrerò sulle simulazioni CFD di flussi slurry in una condizione limite tra il regime pseudo-omogeneo e quello eterogeneo, in cui le collisioni particella-particella iniziano a giocare un ruolo nel trasporto delle particelle. Per tenere conto delle collisioni particella-particella, equazioni costitutive della Teoria Cinetica dei Flussi Granulari (KTGF) sono incorporate in un modello Euleriano-Euleriano. Il modello CFD include molti parametri e sottomodelli difficili da settare, che contribuiscono all’incertezza della soluzione numerica. Pertanto, il mio obiettivo è valutare tale livello di incertezza attraverso un'ampia analisi di sensibilità rispetto ad alcune caratteristiche del modello, dopo aver adeguatamente controllato l'incertezza numerica derivante dalla soluzione numerica delle equazioni del flusso e della griglia di calcolo. Tutti i risultati numerici sono validati rispetto ai dati sperimentali relativi al trasporto di piccole sfere di vetro in una condotta orizzontale.