Numerical modeling of porous media using a 3D Darcy-Forchheimer approach

Porous modeling in computational fluid dynamics (CFD) typically does not allow for an explicit representation of pore structures. Instead, it relies on macroscopic models designed to replicate equivalent effects on the flow, such as pressure jumps and flow deflections. One method for modeling porous media in CFD is the Darcy-Forchheimer model, which introduces a sink term in the momentum balance equation. This sink term is defined by a tensor, enabling the representation of anisotropic behavior in the porous medium. This thesis presents the implementation of the Darcy-Forchheimer model with a full tensorial formulation in OpenFOAMv2306, addressing a gap in current modeling capabilities. The new model offers broad application flexibility, independent of solver type, and enables the accurate capture of anisotropic effects in porous media. The developed model successfully reproduced the expected behavior and load distributions on the porous screen in validation cases. However, when compared with other simulation strategies, such as the Pressure Velocity Jump (PVJ) approach, some discrepancies emerged, indicating the need for scaling coefficients and further investigation. Overall, this thesis introduces a more versatile and accurate model for simulating flow through porous media, with potential applications across various engineering fields.

Modellare la porosità nella fluidodinamica computazionale (CFD) in genere non consente una rappresentazione esplicita delle strutture dei pori. Tipicamente si utilizzano modelli macroscopici studiati per replicare effetti equivalenti sul flusso, quali salti di pressione e deflessioni del flusso. Un metodo per modellare i mezzi porosi nella CFD è il modello Darcy-Forchheimer, il quale introduce un termine con segno negativo nell'equazione di bilancio della quantità di moto. Questo termine è definito da un tensore che consente di rappresentare il comportamento anisotropo del mezzo poroso. Questa tesi presenta l'implementazione del modello Darcy-Forchheimer con una formulazione tensoriale completa in OpenFOAMv2306, colmando una lacuna nelle attuali capacità di modellazione. Il nuovo modello offre un'ampia flessibilità applicativa, indipendente dal tipo di solutore, e consente di catturare con precisione gli effetti anisotropi nei mezzi porosi. Il modello sviluppato ha riprodotto con successo il comportamento previsto e le distribuzioni di carico sullo schermo poroso nei casi di validazione. Tuttavia, se confrontato con altre strategie di simulazione, come l'approccio Pressure Velocity Jump (PVJ), sono emerse alcune discrepanze, che indicano la necessità di coefficienti di scala e di ulteriori indagini. Nel complesso, questa tesi introduce un modello più versatile e accurato per la simulazione del flusso attraverso i mezzi porosi, con potenziali applicazioni in vari campi dell'ingegneria.