Definition and Implementation of a Numerical Method for Porous Media Flows and Application to Gas Mask Filters

Numerical frameworks for coupled free-flow porous media problems are important in both industry and academia. This thesis proposes a new numerical method capable of dealing with both the Navier-Stokes equations in the free flow region and the Darcy-Brinkmann equations in the porous region. The method has been developed for pressure-based solvers, collocated variables, and a finite volumes node-centered discretization type. The main features of the method are a Green-Gauss type discretization for the porous source term in the momentum equation, and a modified velocity interpolation at the faces of cells, utilized into the continuity equation. These features are necessary to avoid non-physicalities in the flow field, as thoroughly demonstrated in the literature. The method has been implemented in the computational fluid dynamics software SU2 and validated in two cases found in the literature, the Beavers-Joseph and the porous plug geometries. Various flow and porous medium conditions have been simulated. The application of the method to activated carbon filters in gas masks has been inves- tigated, with a final insight into the role of free-flow porous media simulations in the optimization process of such filters.

Questa tesi propone un nuovo metodo numerico per la risoluzione dei problemi accoppiati tra flussi liberi e mezzi porosi, il metodo utilizza le equazioni di Navier-Stokes per la regione di flusso libero e le equazioni di Darcy-Brinkmann per la regione porosa. Il metodo è stato sviluppato per algoritmi pressure-based, a variabili collocate, e per una discretizzazione ai volumi finiti node-centered. Il metodo si distingue per l’applicazione di una discretizzazione di tipo Green-Gauss per il termine sorgente poroso nell’equazione della quantità di moto. Inoltre, un’interpolazione della velocità modificata alle facce delle celle è stata utilizzata per risolvere l’equazione di continuità. Queste modifiche sono essenziali per evitare anomalie nel campo di flusso, come ampiamente dimostrato nella letteratura esistente. Il metodo è stato implementato nel software di fluidodinamica computazionale SU2 e val- idato attraverso testcase consolidati, tra cui il problema di Beavers-Joseph e le geometrie di plug poroso, sotto diverse condizioni di flusso e di mezzo poroso. In aggiunta, la tesi esplora l’applicazione di questo metodo ai filtri a carbone attivo uti- lizzati nelle maschere antigas. Viene inoltre fornita un’analisi approfondita su come le simulazioni accoppiate tra flussi liberi e mezzi porosi possano ottimizzare il design e le prestazioni di tali filtri.